DE102020103831A1 - Method for producing a steel component and a steel component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlbauteils aus einem dreilagigen Stahlwerkstoffverbund mit einer Kernlage 1, welche neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% ausC: 0,001 bis 0,25 %,Mn: 0,1 bis 2,5 %,S: bis 0,03 %,H: bis 0,001 %, und mit zwei stoffschlüssig mit der Kernlage 1 verbundenen Decklagen 2, 3, wobei die einer Belastung zugewandte Seite als erste Decklage 2 und die der Belastung abgewandte Seite als zweite Decklage 3 bezeichnet wird, wobei jede der Decklagen 2, 3 aus jeweils einem Stahl, welcher neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% ausC: 0,35 bis 0,65 %,Mn: 0,1 bis 2,5 %,S: bis 0,03 %,H: bis 0,001 %, wobei die Bedingung K= Mn [Gew.-%] + 1000 x B [Gew.-%] mit K=1 bis 6 in der Kernlage 1 und K=0,5 bis 7 in den Decklagen 2, 3 erfüllt ist, und wobei der Stahlwerkstoffverbund zur Warmumformung auf eine Temperatur über Ac3 erwärmt und anschließend durch Warmumformung und Presshärten zu dem Stahlbauteil umgeformt wird, wobei der umgeformte Stahlwerkstoffverbund unvollständig gehärtet wird, wobei das unvollständig gehärtete Gefüge überwiegend aus Martensit besteht und bis zu 10% Bainit sowie optional Rest-Austenit.The invention relates to a method for producing a steel component from a three-layer steel material composite with a core layer 1, which, in addition to Fe and impurities that are unavoidable due to the manufacturing process, consists of C: 0.001 to 0.25%, Mn: 0.1 to 2.5%, S: up to 0.03%, H: up to 0.001%, and with two cover layers 2, 3 connected to the core layer 1 in a materially bonded manner, the side facing a load being referred to as the first cover layer 2 and the side facing away from the load being referred to as the second cover layer 3 , with each of the cover layers 2, 3 each made of a steel which, in addition to Fe and impurities that are unavoidable due to the manufacturing process, consists of C: 0.35 to 0.65%, Mn: 0.1 to 2.5%, S: to 0.03%, H: up to 0.001%, the condition K = Mn [% by weight] + 1000 × B [% by weight] with K = 1 to 6 in the core layer 1 and K = 0.5 to 7 is fulfilled in the cover layers 2, 3, and wherein the steel material composite for hot forming is heated to a temperature above Ac3 and then by hot forming and press hardening z u the steel component is reshaped, the reshaped steel material composite being incompletely hardened, the incompletely hardened structure consisting predominantly of martensite and up to 10% bainite and optionally residual austenite.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlbauteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Stahlbauteil hergestellt nach diesem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 16.The invention relates to a method for producing a steel component according to the features of
Die aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitsstähle sind für ihren Einsatzzweck auf Härten von 400 HV10 und mehr gehärtet und weisen dementsprechend eine hohe Festigkeit i.V.m. einer eingeschränkten Duktilität auf. Die bei einem Sicherheitsstahl erforderliche hohe Härte zielt auf einen hohen Eindringwiderstand gegenüber einem auftreffenden Geschoss ab, wobei sich das Geschoss nach dem Aufprall in seinem Durchmesser aufweitet, wodurch Energie abgebaut und die Eindringtiefe minimiert wird.The safety steels known from the prior art are hardened to hardnesses of 400 HV10 and more for their intended use and accordingly have high strength in conjunction with limited ductility. The high hardness required for a security steel aims at a high penetration resistance against an impacting projectile, whereby the diameter of the projectile expands after the impact, whereby energy is dissipated and the penetration depth is minimized.
Die Eigenschaften, welche erforderlich sind, um den Anforderungen an hohe Härten und hohe Zähigkeiten gerecht zu werden, sind konträr und können in der Regel nur durch Werkstoffverbunde bereitgestellt werden. Derartige Werkstoffverbunde, insbesondere aus unterschiedlichen Stählen, sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der europäischen Offenlegungsschrift
Die der Beschussrichtung zugewandte äußere Decklage dient dazu, das auftreffende Geschoss zu brechen oder zu verformen. Die zweite, zähere Kernlage dient dazu, die Energie des Geschosses zu absorbieren und das Geschoss aufzuhalten. Zudem sollen eventuelle Risse in der ersten Decklage gestoppt werden. Die dritte Schicht bzw. zweite Decklage dient schließlich dazu, das Durchdringen des Geschosses oder das Durchdringen von Geschossresten zu verhindern sowie eine Verformung des Bauteils zu vermeiden. Die Härten der Decklagen werden mittlerweile auf 700 HV10 und mehr gesteigert. Mit der Härtesteigerung geht eine Sprödigkeit der Materialien einher, so dass beim Auftreffen eines Geschosses Splitter von den Decklagen abplatzen können. Dies kann zur Verletzung von Personen führen und gleichzeitig auch zu einer lokalen Schwächung eines ballistischen Stahlbauteils.The outer cover layer facing the direction of fire serves to break or deform the impacting projectile. The second, tougher core layer serves to absorb the energy of the bullet and stop the bullet. In addition, any cracks in the first top layer should be stopped. The third layer or second cover layer ultimately serves to prevent the projectile from penetrating or the remains of the projectile from penetrating and to avoid deformation of the component. The hardness of the top layers has meanwhile increased to 700 HV10 and more. The increase in hardness is accompanied by brittleness of the materials, so that when a bullet hits the surface, splinters can flake off the top layers. This can lead to personal injury and at the same time to a local weakening of a ballistic steel component.
Die Firma thyssenkrupp Steel Europe bietet einen Dreilagenstahl TRISECURE 650 an, der eine verhältnismäßig weiche Panzerstahllage von zwei verhältnismäßig harten Panzerstahllagen einfasst. Die Härten betragen 650 HB/450 HB/650 HB. Dieser im werkharten Zustand bereitgestellte Dreilagenstahl weist eine sehr gute Beschussperformance gegen Hartkerngeschosse der Klasse .308 Win CBC P80 auf. Für die Einstellung des werkharten Zustandes wird der Stahl zunächst warmgewalzt und anschließend in einer Wasserquette abgeschreckt. Durch Abschreckung in einer Wasserquette können sehr hohe Abkühlraten realisiert werden. Bei niedrig legierten Stählen kann damit auch bei hohen Blechdicken eine Durchhärtung des Stahls sichergestellt werden. Dieser Dreilagenstahl kann im werkharten Zustand ausschließlich als Platten- oder Kantteil eingesetzt werden. Für den Einsatz als dreidimensional geformtes Bauteil müsste das Material warmgeformt werden, wodurch der werkharte Wärmebehandlungszustand verloren geht. Beim Warmformen findet die Abkühlung im Werkzeug bei wesentlich niedrigeren Abkühlraten als in einer Wasserquette statt, so dass bei diesem werkzeuggekühlten Stahl ein Härteverlust gegenüber dem in der Wasserquette abgekühlten Stahl festgestellt werden kann. Ein weiterer Härteverlust ergibt sich aus dem Lackeinbrannt im Ofen nach einer kathodischen Tauchlackierung, die zum Korrosionsschutz im zivilen Fahrzeugbau eingesetzt wird. Der Härteverlust führt wiederum zu einem Performanceverlust des Panzerstahls.Thyssenkrupp Steel Europe offers a three-layer steel TRISECURE 650, which surrounds one relatively soft armor steel layer from two relatively hard armor steel layers. The hardnesses are 650 HB / 450 HB / 650 HB. This three-layer steel, provided in the factory-hard condition, has a very good firing performance against hard core bullets of the .308 Win CBC P80 class. To set the factory-hard state, the steel is first hot-rolled and then quenched in a water quench. Very high cooling rates can be achieved by quenching in a water quench. In the case of low-alloy steels, this ensures that the steel is fully hardened even with thick sheet metal. This three-layer steel can only be used as a plate or edge part in the factory-hard condition. For use as a three-dimensionally shaped component, the material would have to be thermoformed, which means that the hard-working heat treatment condition is lost. During hot forming, cooling in the tool takes place at significantly lower cooling rates than in a water quench, so that with this tool-cooled steel a loss of hardness can be determined compared to the steel cooled in the water quench. A further loss of hardness results from the lacquer being burned in in the oven after cathodic dip painting, which is used for corrosion protection in civil vehicle construction. The loss of hardness in turn leads to a loss of performance of the armor steel.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlbauteils aus einem dreilagigen Werkstoffverbund aufzuzeigen, das auch nach der Warmformung eine sehr gute Beschussperformance speziell für die Schutzklassen VPAM 9 oder VPAM 10, insbesondere der Geschossklassen .308 Win CBC P80 sowie 7.62 x 54 R B 32 aufweist.Against this background, the task is to avoid the above-mentioned disadvantages and to show a method for manufacturing a steel component from a three-layer material composite that, even after hot forming, has a very good firing performance especially for the protection classes VPAM 9 or VPAM 10, in particular the bullet classes. 308 Win CBC P80 and 7.62 x 54 RB 32.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Bauteil mit den verbesserten Eigenschaften ist Gegenstand des Patentanspruchs 16.This object is achieved by a method with the features of
Der Schlüssel für die Bereitstellung eines verbesserten dreilagigen Stahlwerkstoffverbunds, insbesondere in Form eines Stahlbauteils für ballistische Zwecke, liegt in einer Kombination aus speziell für diesen Zweck ausgelegten Legierungen für die Deck- und Kernlagen sowie auf einer speziellen Temperaturführung, die darauf abzielt, dass der umgeformte Stahlwerkstoff nur unvollständig gehärtet wird, wobei das gehärtete Gefüge überwiegend aus Martensit besteht und bis zu 10 % Bainit sowie optional als Rest Austenit aufweist. Das gewünschte Ziel wird erreicht, indem insbesondere die Decklagen bewusst nicht vollständig durchgehärtet werden. Die sogenannte Ansprunghärte, die auch als Maximalhärte bezeichnet werden kann, wird nicht erreicht. Es wird ein Gefüge eingestellt, das 3 - 25 %, vorzugsweise 5 - 10 % unter den maximal erreichbaren Härtewerten, d. h. unterhalb der Ansprunghärte, bleibt.The key to providing an improved three-layer steel material composite, in particular in the form of a steel component for ballistic purposes, lies in a combination of alloys specially designed for this purpose for the cover and core layers as well as a special temperature control that aims to ensure that the formed steel material is only partially hardened, the hardened structure predominantly consisting of martensite and containing up to 10% bainite and optionally austenite as the remainder. The desired goal is achieved by deliberately not fully hardening the top layers in particular. The so-called initial hardness, which can also be referred to as maximum hardness, is not achieved. A structure is set that is 3 - 25%, preferably 5 - 10% below the maximum achievable hardness values, i.e. H. below the initial hardness, remains.
In vorteilhafter Weise bestehen die Decklagen aus denselben Legierungen. Aufgrund der einheitlichen Wärmebehandlungen für die beiden Decklagen besitzen die beiden Decklagen auch die gleichen mechanischen Eigenschaften. Das Stahlbauteil soll hinsichtlich der Lagenzusammensetzung symmetrisch aufgebaut sein, weil asymmetrische Lagenzusammensetzungen aufgrund abweichender Legierungen unterschiedliche Umwandlungspunkte aufweisen, so dass während des Abschreckens unterschiedliche Gefügezustände auftreten würden. Dies kann wiederum zum Bauteilverzug führen, was hinderlich für die Warmumformung ist. Letztlich führt dies wiederum dazu, dass eine asymmetrische Lagenanordnung bzw. Gefügeverteilung technisch bei Warmformbauteilen schwer umsetzbar ist.The cover layers advantageously consist of the same alloys. Due to the uniform heat treatments for the two top layers, the two top layers also have the same mechanical properties. The steel component should be constructed symmetrically with regard to the layer composition, because asymmetrical layer compositions have different transformation points due to different alloys, so that different structural states would occur during quenching. This in turn can lead to component distortion, which is a hindrance to hot forming. Ultimately, this in turn means that an asymmetrical layer arrangement or structure distribution is technically difficult to implement in hot-formed components.
Erfindungsgemäß wird für die Kernlage ein Stahlwerkstoff verwendet, der neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
- C: 0,001 bis 0,25 %, insbesondere 0,1 bis 0,25 %, vorzugsweise 0,15 bis 0,22 %,
- optional Si: bis 1,2 %, insbesondere 0,03 bis 1,2 %, vorzugsweise 0,1 bis 0,6 %,
- Mn: 0,1 bis 2,5 %, insbesondere 0,1 bis 1,8 %, vorzugsweise 0,6 bis 1,3 %,
- optional P: bis 0,05 %, insbesondere 0,005 bis 0,03 %,
- S: bis 0,03 %, insbesondere bis 0,01 %, vorzugsweise bis 0,005 %, bevorzugt bis 0,003 %,
- optional N: bis 0,02 %, insbesondere 0,001 bis 0,015 %, vorzugsweise 0,002 bis 0,015 %, bevorzugt 0,002 bis 0,010%,
- optional Cr: bis 2,5 %, insbesondere 0,05 bis 2,5 %, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 %,
- optional Cu: bis 1,0 %, insbesondere 0,005 bis 0,5 %,
- optional Nb: bis 0,2 %, insbesondere 0,005 bis 0,2 %, vorzugsweise 0,005 bis 0,1 %, bevorzugt 0,005 bis 0,04 %, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,04 %,
- optional Ti: bis 0,2 %, insbesondere 0,005 bis 0,2 %, vorzugsweise 0,005 bis 0,1 %, bevorzugt 0,005 bis 0,04 %, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,04 %,
- optional V: bis 0,2 %, insbesondere bis 0,1 %, vorzugsweise bis 0,05 %,
- optional W: bis 0,2 %, insbesondere bis 0,1 %, vorzugsweise bis 0,05 %,
- optional Mo: bis 1 %, insbesondere 0,01 bis 1%, vorzugsweise 0,01 bis 0,3 %,
- optional Ni: bis 5,5 %, insbesondere bis 1,0 %, vorzugsweise bis 0,5 %, bevorzugt bis 0,3 %,
- optional B: bis 0,01 %, insbesondere 0,0001 bis 0,007 %, vorzugsweise 0,001 bis 0,007 %,
- optional Sn: bis 0,05 %, insbesondere bis 0,04 %,
- optional As: bis 0,02 %,
- optional Co: bis 0,5 %,
- optional O: bis 0,005 %, insbesondere bis 0,002 %,
- H: bis 0,001 %, insbesondere bis 0,0006 %, vorzugsweise bis 0,0004 %, bevorzugt bis 0,0002
- optional Ca: bis 0,015 %, insbesondere 0,0005 bis 0,015 %, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 %,
- optional Al: bis 1,0 %, insbesondere 0,02 bis 0,6 %, vorzugsweise 0,02 bis 0,3 %,
- optional SEM: bis 0,01 %, insbesondere bis 0,005 % besteht.
- C: 0.001 to 0.25%, in particular 0.1 to 0.25%, preferably 0.15 to 0.22%,
- optional Si: up to 1.2%, in particular 0.03 to 1.2%, preferably 0.1 to 0.6%,
- Mn: 0.1 to 2.5%, in particular 0.1 to 1.8%, preferably 0.6 to 1.3%,
- optional P: up to 0.05%, in particular 0.005 to 0.03%,
- S: up to 0.03%, in particular up to 0.01%, preferably up to 0.005%, preferably up to 0.003%,
- optional N: up to 0.02%, in particular 0.001 to 0.015%, preferably 0.002 to 0.015%, preferably 0.002 to 0.010%,
- optional Cr: up to 2.5%, in particular 0.05 to 2.5%, preferably 0.5 to 1.5%,
- optional Cu: up to 1.0%, in particular 0.005 to 0.5%,
- optional Nb: up to 0.2%, in particular 0.005 to 0.2%, preferably 0.005 to 0.1%, preferably 0.005 to 0.04%, particularly preferably 0.02 to 0.04%,
- optional Ti: up to 0.2%, in particular 0.005 to 0.2%, preferably 0.005 to 0.1%, preferably 0.005 to 0.04%, particularly preferably 0.02 to 0.04%,
- optional V: up to 0.2%, in particular up to 0.1%, preferably up to 0.05%,
- optional W: up to 0.2%, in particular up to 0.1%, preferably up to 0.05%,
- optional Mo: up to 1%, in particular 0.01 to 1%, preferably 0.01 to 0.3%,
- optional Ni: up to 5.5%, in particular up to 1.0%, preferably up to 0.5%, preferably up to 0.3%,
- optional B: up to 0.01%, in particular 0.0001 to 0.007%, preferably 0.001 to 0.007%,
- optional Sn: up to 0.05%, in particular up to 0.04%,
- optional As: up to 0.02%,
- optional Co: up to 0.5%,
- optional O: up to 0.005%, in particular up to 0.002%,
- H: up to 0.001%, in particular up to 0.0006%, preferably up to 0.0004%, preferably up to 0.0002
- optional Ca: up to 0.015%, in particular 0.0005 to 0.015%, preferably 0.0005 to 0.005%,
- optional Al: up to 1.0%, in particular 0.02 to 0.6%, preferably 0.02 to 0.3%,
- optional SEM: up to 0.01%, in particular up to 0.005%.
Ferner sind die beiden Decklagen stoffschlüssig mit der Kernlage verbunden. Die der Belastung zugewandte Seite wird als erste Decklage und die der Belastung abgewandte Seite als zweite Decklage bezeichnet. Unter Belastung ist eine ballistische Belastung zu verstehen. Die beiden Decklagen bestehen neben Eisen und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
- C: 0,35 bis 0,65 %, insbesondere 0,40 bis 0,60 %, vorzugsweise 0,40 bis 0,58 %, bevorzugt 0,40 bis 0,55 %,
- optional Si:
1,2 %, insbesondere 0,03bis 1,2 %, vorzugsweise 0,05 bis 0,6 %, besonders bevorzugt 0,10 bis 0,6 %,bis - Mn: 0,1
bis 2,5 %,insbesondere 0,1bis 1,9 %, vorzugsweise 0,6bis 1,5 %, - optional P: bis 0,05 %, insbesondere 0,005 bis 0,03 %,
- S: bis 0,03 %, insbesondere bis 0,01 %,
- optional N: bis 0,02 %, insbesondere 0,001 bis 0,015 %,
- optional Cr:
bis 3,5 %,insbesondere 0,1bis 2,5 %, vorzugsweise 0,5bis 2,0 %, bevorzugt 0,7bis 2,0 %, - optional Cu:
bis 1,0 %, insbesondere 0,005 bis 0,5 %, - optional Nb:
bis 0,2 %,insbesondere bis 0,1 %, vorzugsweise bis 0,04 %, - optional Ti:
bis 0,2 %,insbesondere bis 0,1 %, vorzugsweise bis 0,04 %, - optional V: bis 0,8 %,
insbesondere 0,04 bis 0,25 %, vorzugsweise 0,06
bis 0,2 %, - optional W:
bis 1,5 %, 1,3 %, vorzugsweise bis 0,7 %,insbesondere bis bevorzugt bis 0,2 %,weiter bevorzugt bis 0,1 %, besonders bevorzugt bis 0,04 %, - optional Mo:
bis 1,5 %, insbesondere bis 0,5 %,vorzugsweise bis 0,3 %, - optional Ni: bis 5,5 %,
insbesondere bis 2,0 %,vorzugsweise bis 1,5 %, - optional B: bis 0,01 %, insbesondere bis 0,007 %,
- optional Sn: bis 0,05 %, insbesondere bis 0,04 %,
- optional As: bis 0,02 %,
- optional Co: bis 0,5 %,
- optional O: bis 0,005 %, insbesondere bis 0,002 %,
- H: bis 0,001 %, insbesondere bis 0,0006 %, vorzugsweise bis 0,0004 %, bevorzugt bis 0,0002 %,
- optional Ca: bis 0,015 %, insbesondere 0,0005 bis 0,005 %,
- optional AI:
bis 2,0 %,insbesondere bis 1,0 %, vorzugsweise bis 0,5 %,bevorzugt bis 0,3 %, - optional SEM: bis 0,01 %, insbesondere bis 0,005 % besteht.
- C: 0.35 to 0.65%, in particular 0.40 to 0.60%, preferably 0.40 to 0.58%, preferably 0.40 to 0.55%,
- optional Si: up to 1.2%, in particular 0.03 to 1.2%, preferably 0.05 to 0.6%, particularly preferably 0.10 to 0.6%,
- Mn: 0.1 to 2.5%, in particular 0.1 to 1.9%, preferably 0.6 to 1.5%,
- optional P: up to 0.05%, in particular 0.005 to 0.03%,
- S: up to 0.03%, in particular up to 0.01%,
- optional N: up to 0.02%, in particular 0.001 to 0.015%,
- optional Cr: up to 3.5%, in particular 0.1 to 2.5%, preferably 0.5 to 2.0%, preferably 0.7 to 2.0%,
- optional Cu: up to 1.0%, in particular 0.005 to 0.5%,
- optional Nb: up to 0.2%, in particular up to 0.1%, preferably up to 0.04%,
- optional Ti: up to 0.2%, in particular up to 0.1%, preferably up to 0.04%,
- optional V: up to 0.8%, in particular 0.04 to 0.25%, preferably 0.06 to 0.2%,
- optional W: up to 1.5%, in particular up to 1.3%, preferably up to 0.7%, preferably up to 0.2%, more preferably up to 0.1%, particularly preferably up to 0.04%,
- optional Mo: up to 1.5%, in particular up to 0.5%, preferably up to 0.3%,
- optional Ni: up to 5.5%, in particular up to 2.0%, preferably up to 1.5%,
- optional B: up to 0.01%, in particular up to 0.007%,
- optional Sn: up to 0.05%, in particular up to 0.04%,
- optional As: up to 0.02%,
- optional Co: up to 0.5%,
- optional O: up to 0.005%, in particular up to 0.002%,
- H: up to 0.001%, in particular up to 0.0006%, preferably up to 0.0004%, preferably up to 0.0002%,
- optional Ca: up to 0.015%, in particular 0.0005 to 0.005%,
- optional AI: up to 2.0%, in particular up to 1.0%, preferably up to 0.5%, preferably up to 0.3%,
- optional SEM: up to 0.01%, in particular up to 0.005%.
Durch das Zusammenspiel der Legierungselemente zwischen den einzelnen Lagen im Stahlwerkstoffverbund kann in der Kernlage eine im Vergleich zu den Decklagen höhere Zähigkeit eingestellt werden, wobei eine hohe Härte in den Decklagen, insbesondere im gehärteten, jedoch nicht maximalgehärteten Zustand, des Sicherheitsstahls eingestellt werden kann. Die besagten Eigenschaften können unter Minimierung des Bauteilverzuges insbesondere dadurch erreicht werden, dass für die erste und zweite Decklage die gleiche oder eine sehr ähnliche Zusammensetzung (beispielsweise aus unterschiedlichen Schmelzen der gleichen Sollzusammensetzung) gewählt wird.Due to the interaction of the alloying elements between the individual layers in the steel material composite, a higher toughness can be set in the core layer compared to the cover layers, whereby a high hardness can be set in the cover layers, especially in the hardened, but not maximally hardened state of the safety steel. Said properties can be achieved while minimizing component distortion, in particular by choosing the same or a very similar composition (for example from different melts of the same target composition) for the first and second cover layer.
Bei der erfindungsgemäß verwendeten Legierung werden Mn und bevorzugt, aber optional B gezielt zulegiert. Mn und B vermeiden normalerweise die Bildung von Bainit, in dem sie die bainitische Umwandlung zu längeren Abkühlzeiten hin verschieben. In diesem Anwendungsfall führt dies allerdings zur Steuerung des Bainitgehaltes im Endgefüge. Aus dem Grund soll die Zusammensetzung des Verbundwerkstoffes einen Kennwert K einhalten, der in der Kernlage zwischen 1 und 6 beträgt und in der Decklage zwischen 0,5 und 7. Der Kennwert bestimmt sich nach folgender Gleichung:
In der Kernlage beträgt der Kennwert K mindestens 1, insbesondere mindestens 2, vorzugsweise mindestens 2,5, besonders bevorzugt mindestens 2,7 bei einer Obergrenze von max. 6, insbesondere max. 5, vorzugsweise max. 4,5 und besonders bevorzugt max. 4,2.In the core layer, the characteristic value K is at least 1, in particular at least 2, preferably at least 2.5, particularly preferably at least 2.7 with an upper limit of at most 6, in particular at most 5, preferably at most 4.5 and particularly preferably at maximum. 4.2.
In den Decklagen beträgt die Untergrenze für den Kennwert K mindestens 0,5, insbesondere mindestens 0,6, vorzugsweise mindestens 0,7, besonders bevorzugt mindestens 0,8. Die Obergrenze für den Kennwert K in den Decklagen beträgt maximal 7, insbesondere max. 6, vorzugsweise max. 5, besonders bevorzugt max. 4,5.In the outer layers, the lower limit for the characteristic value K is at least 0.5, in particular at least 0.6, preferably at least 0.7, particularly preferably at least 0.8. The upper limit for the parameter K in the outer layers is a maximum of 7, in particular a maximum of 6, preferably a maximum of 5, particularly preferably a maximum of 4.5.
Durch die Einhaltung dieses Kennwertes wird die bainitische Umwandlung gezielt hin zu längeren Zeiten verschoben, um eine übermäßige Bainitbildung während des Warmformumformprozesses zu vermeiden.By adhering to this characteristic value, the bainitic transformation is deliberately shifted to longer times in order to avoid excessive bainite formation during the hot forming process.
Die Untergrenze für die Vorwärmung im Zuge der Warmumformung beträgt mindestens die Ac3-Temperatur der Decklagen, insbesondere mindestens die Ac3-Temperatur der Kernlage. Die Erwärmung erfolgt typischerweise auf 910°C bis 960°C über eine bestimmte Haltedauer. Die Dauer hängt von der Gesamtdicke des Stahlwerkstoffverbundes und der Zuschnittsgröße ab. Die Dauer in Minuten kann gemäß der Formel
Nach dem Umformen wird die Platine abgekühlt und zwar so, dass das Material der Decklagen nicht vollständig durchgehärtet wird, sondern hauptsächlich Martensit, bis zu 10 % Bainit und gegebenenfalls Rest-Austenit aufweist. Das unvollständig gehärtete Gefüge besitzt im Ergebnis eine Härte, die unterhalb der sogenannten Ansprunghärte HV0 in der geschossbrechenden Decklage bleibt. Die Ansprunghärte wird durch folgende Formel nach
Die Untergrenze für die Ansprunghärte in der geschossbrechenden Decklage soll mindestens 600 HV10, insbesondere mindestens 620 HV10, vorzugsweise mindestens 650 HV10 und besonders bevorzugt mindestens 680 HV10 betragen, wobei die Obergrenze beliebig ist, insbesondere max. 950 HV10, vorzugsweise max. 850 HV10, wovon besonders bevorzugt max. 820 HV10 beträgt.The lower limit for the crack hardness in the bullet-breaking top layer should be at least 600 HV10, in particular at least 620 HV10, preferably at least 650 HV10 and particularly preferably at least 680 HV10, the upper limit being arbitrary, in particular max. 950 HV10, preferably max. 850 HV10, of which particularly preferably a maximum of 820 HV10.
Die Ansprunghärte HV0 in der rissstoppenden Kernlage soll theoretisch eine beliebige Untergrenze haben. Vorzugsweise beträgt die Untergrenze mindestens 300 HV10, vorzugsweise mindestens 350 HV10, besonders bevorzugt mindestens 400 HV10, wobei die Obergrenze der Ansprunghärte in der rissstoppenden Kernlage max. 600 HV10, insbesondere max. 550 HV10, vorzugsweise max. 500 HV10 beträgt.The initial hardness HV 0 in the crack-stopping core layer should theoretically have any lower limit. The lower limit is preferably at least 300 HV10, preferably at least 350 HV10, particularly preferably at least 400 HV10, with the upper limit of the crack hardness in the crack-stopping core layer being max. 600 HV10, in particular max. 550 HV10, preferably max. 500 HV10.
Die Härte des unvollständig gehärteten Gefüges der Geschoss brechenden Decklage bleibt 3 - 25 %, bevorzugt 5 - 10 % unter den maximalen Werten der oben genannten Ansprunghärten. Das Stahlbauteil soll nach dem Warmformen bzw. Presshärten in der Decklage vorzugsweise eine Härte von 630 - 900 HV10, bevorzugt 650 - 850 HV10, besonders bevorzugt 720 - 800 HV10 aufweisen.The hardness of the incompletely hardened structure of the bullet-breaking cover layer remains 3 - 25%, preferably 5 - 10% below the maximum values of the above-mentioned initial hardnesses. After the hot forming or press hardening in the top layer, the steel component should preferably have a hardness of 630-900 HV10, preferably 650-850 HV10, particularly preferably 720-800 HV10.
Der Stahlwerkstoffverbund soll vor dem Warmumformen insbesondere im gehärteten Zustand, bevorzugt in einem auf die Ansprunghärte gehärteten Zustand bereitgestellt werden. Zwar wird durch das Austenitisieren und Presshärten der Gefügezustand zunächst zerstört und verändert, allerdings vereinfacht das feinkörnige Ausgangsgefüge der auf Ansprunghärte gehärteten Stahlwerkstoffverbunde die nachfolgende Warmumformung und Wärmebehandlung und ermöglicht insbesondere die Einstellung einer hohen Zähigkeit am Bauteil.Before the hot forming, the steel material composite should be provided, in particular in the hardened state, preferably in a state hardened to the initial hardness. Although the structural condition is initially destroyed and changed by austenitizing and press hardening, the fine-grained initial structure of the steel composites hardened to initial hardness simplifies the subsequent hot forming and heat treatment and, in particular, enables a high level of toughness to be set on the component.
Das gewünschte Gefüge mit den besagten Eigenschaften wird insbesondere dadurch erreicht, dass das umgeformte Stahlbauteil nach dem Warmumformen insbesondere im Presswerkzeug verlangsamt abgekühlt wird. Die Abkühlgeschwindigkeit soll dabei oberhalb der Martensitstarttemperatur Ms größer eingestellt werden, als unterhalb der Martensitstarttemperatur Ms. Insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 200°C und 150°C ist eine besonders geringe Abkühlgeschwindigkeit zu wählen. Bis zur Martensittemperatur soll der dreilagige Stahlwerkstoffverbund relativ schnell abgekühlt werden. Im Anschluss daran langsamer. Mit dem Unterschreiten der Martensitstarttemperatur, die typischerweise bei etwa 430°C liegt, beginnt die Gefügeumwandlung und es bildet sich bei weiterer Abkühlung schnell ein großer Anteil an Festigkeit steigerndem Martensit.. Dadurch dass das Abkühlen auch unterhalb der Martensitstarttemperatur verlangsamt wird, erfolgt insbesondere in dem Temperaturbereich zwischen 150°C und 250°C ein Selbstanlasseffekt des dreilagigen Stahlwerkstoffverbundes. Dies führt zu einer Zunahme der Zähigkeit des dreilagigen Stahls. In Abhängigkeit von den weiteren Verfahrensschritten kann das warmgeformte Bauteil auf Raumtemperatur insbesondere kontinuierlich abgekühlt werden oder aber auch zunächst bei bis zu 200°C auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden.The desired structure with the aforementioned properties is achieved in particular in that the formed steel component is cooled down more slowly after the hot forming, in particular in the press tool. The cooling rate should be set higher above the martensite start temperature Ms than below the martensite start temperature Ms. In particular in a temperature range between 200 ° C. and 150 ° C., a particularly low cooling rate should be selected. The three-layer steel composite should be cooled relatively quickly down to the martensite temperature. After that, more slowly. When the temperature falls below the martensite start temperature, which is typically around 430 ° C, the structural transformation begins and with further cooling, a large proportion of strength-increasing martensite quickly forms Temperature range between 150 ° C and 250 ° C a self-tempering effect of the three-layer steel composite. This leads to an increase in the toughness of the three-layer steel. Depending on the further process steps, the thermoformed component can be cooled to room temperature, in particular continuously, or else it can be kept at an elevated temperature at up to 200 ° C. initially.
Die Abkühlgeschwindigkeit hängt von der verwendeten Gesamtdicke (Blechdicke) des dreilagigen Stahlwerkstoffverbundes ab. Je größer die Gesamtdicke ist, desto niedriger wird die Abkühlgeschwindigkeit eingestellt. Für Stahlbauteile mit Wanddicken zwischen 2,5 mm und 40 mm sollen sich die Abkühlgeschwindigkeiten in folgenden Grenzen bewegen:
- für
eine Gesamtdicke von 2,5 mm ergeben sich die maximalen Abkühlgeschwindigkeiten von:- oberhalb Ms: 40 bis 100 K/s
- unterhalb Ms: 10 bis 40 K/s
- für eine Gesamtdicke von 40 mm ergeben sich die minimalen Abkühlgeschwindigkeiten von:
- oberhalb Ms: 1 bis 5 K/s
- unterhalb Ms: 0,1 bis 1 K/s.
- for a total thickness of 2.5 mm, the maximum cooling speeds are:
- above Ms: 40 to 100 K / s
- below Ms: 10 to 40 K / s
- for a total thickness of 40 mm, the minimum cooling speeds are:
- above Ms: 1 to 5 K / s
- below Ms: 0.1 to 1 K / s.
Exemplarisch kann für eine Blechdicke von 8,5 mm eine Abkühlgeschwindigkeit oberhalb Ms von 5 bis 15 K/s angegeben werden und für den Temperaturbereich unterhalb von Ms 1 bis 3 K/s.As an example, a cooling rate above Ms of 5 to 15 K / s can be specified for a sheet thickness of 8.5 mm and for the temperature range below
Optional kann das warmgeformte Stahlbauteil zusätzlich im Anschluss an die Warmumformung und Abkühlung angelassen werden, und zwar für eine Dauer von 1 bis 50 Minuten, insbesondere für eine Dauer von 10 bis 30 Minuten bei Temperaturen zwischen 150°C und 250°C. Dadurch wird die Zähigkeit des dreilagigen Werkstoffverbundes und insbesondere der Decklage erhöht. Grundsätzlich wird auch die Zähigkeit der Kernlage erhöht, jedoch besitzt die ausgewählte Legierung für die Kernlage von vornherein eine geringere Härte und bereits eine erhöhte Zähigkeit.Optionally, the hot-formed steel component can also be tempered after the hot forming and cooling, for a period of 1 to 50 minutes, in particular for a period of 10 to 30 minutes at temperatures between 150 ° C and 250 ° C. This increases the toughness of the three-layer composite material and in particular of the top layer. In principle, the toughness of the core layer is also increased, but the alloy selected for the core layer has a lower hardness from the outset and already has increased toughness.
In vorteilhafter Weiterentwicklung der Erfindung erfolgt das Anlassen prozessökonomisch während eines Lackeinbrands nach dem kathodischen Tauchlackierens, welches in dem besagten Temperaturbereich durchgeführt wird.In an advantageous further development of the invention, the tempering takes place in a process-economical manner during a paint burn-in after the cathodic dip painting, which is carried out in the said temperature range.
Im Ergebnis soll das Stahlbauteil nach dem Anlassen vorzugsweise eine Härte der Decklagen in einem Bereich von 600 - 880 HV10, bevorzugt 600 - 820 HV10, besonders bevorzugt 670 - 750 HV10 aufweisen. Ein solches warmgeformtes und pressgehärtetes Stahlbauteil, das bewusst nicht die maximal mögliche Härte aufweist, sondern Werte, die 3 - 25 %, besonders bevorzugt 5 - 10 % unter dem Maximum liegen, hat die sehr positive Eigenschaft, dass die Riss- und Abplatzneigung der Decklagen stark reduziert wird. Dadurch kann ein besserer Personenschutz und auch eine geringere Versagenswahrscheinlichkeit des Bauteils bei Beschuss ermöglicht werden.As a result, after tempering, the steel component should preferably have a hardness of the cover layers in a range of 600-880 HV10, preferably 600-820 HV10, particularly preferably 670-750 HV10. Such a hot-formed and press-hardened steel component, which deliberately does not have the maximum possible hardness, but values that are 3 - 25%, particularly preferably 5 - 10% below the maximum, has the very positive property that the top layers are prone to cracking and chipping is greatly reduced. This enables better personal protection and also a lower probability of failure of the component in the event of fire.
Die Stahlbauteile für ballistische Zwecke werden erfindungsgemäß durch eine geeignete Legierung in Kombination mit Abkühlgeschwindigkeiten, die für Warmformwerkzeuge geeignet sind, hergestellt. Zusätzlich wird durch die Temperatursteuerung ein Selbstanlasseffekt ausgenutzt und optional ein nachgelagertes Anlassen durchgeführt. Besonders geeignete warmgeformte ballistisch verwendete pressgehärtete Bauteile weisen im pressharten Zustand in den Decklagen Härten von vorzugsweise 630 - 900 HV10, bevorzugt 650 - 850 HV10, besonders bevorzugt 720 HV10 - 800 HV10 und im pressharten und angelassenen Zustand vorzugsweise von 600 - 880 HV10, bevorzugt 600 - 820 HV10, besonders bevorzugt 670 HV10 auf. Im pressharten Zustand werden Härten der Decklage/Kernlage/Decklage von 630/300/630 -900/600/900 HV10, bevorzugt 630/350/630 - 850/550/850 HV10, besonders bevorzugt 720/400/720 - 800/500/800 HV10 und im pressharten und angelassenen Zustand von 600/300/600 - 880/600/880 HV10, bevorzugt 600/350/600 - 820/550/820 HV10, insbesondere bevorzugt 670/400/670 - 750/500/750 HV10 als besonders günstig angesehen. Vorteilhafterweise ist die Entkohlungstiefe in den Decklagen nicht größer als 75 µm. Die Entkohlung führt zu einem Härteverlust und damit zu einer Reduzierung der geschossbrechenden Wirkung. Durch eine Reduzierung der Entkohlungstiefe wird im Ergebnis verhindert, dass das auftreffende Geschoss sich in das Blech eingräbt.According to the invention, the steel components for ballistic purposes are produced by a suitable alloy in combination with cooling rates which are suitable for hot-forming tools. In addition, the temperature control makes use of a self-starting effect and, optionally, subsequent starting is carried out. Particularly suitable thermoformed, ballistically used press-hardened components have hardnesses in the top layers of preferably 630-900 HV10, preferably 650-850 HV10, particularly preferably 720 HV10-800 HV10 and in the press-hard and tempered state preferably 600-880 HV10, preferably 600 - 820 HV10, particularly preferably 670 HV10. In the press-hard state, the hardnesses of the top layer / core layer / top layer are 630/300/630-900/600/900 HV10, preferably 630/350/630 - 850/550/850 HV10, particularly preferably 720/400/720 - 800/500 / 800 HV10 and in the press-hard and tempered state from 600/300/600 - 880/600/880 HV10, preferably 600/350/600 - 820/550/820 HV10, particularly preferably 670/400/670 - 750/500/750 HV10 viewed as particularly cheap. The depth of decarburization in the top layers is advantageously no greater than 75 μm. The decarburization leads to a loss of hardness and thus to a reduction in the bullet-breaking effect. By reducing the depth of decarburization, the result is that the impacting bullet does not dig into the sheet metal.
Der bereitgestellte Stahlverbundwerkstoff soll vorzugsweise folgende Dickenverhältnisse aufweisen:
- Decklage jeweils ≥10 %, bevorzugt jeweils ≥20 %, besonders bevorzugt jeweils ≥25 % und Kernlage: ≥4 %, bevorzugt ≥15 % , besonders bevorzugt ≥35 % der Gesamtdicke, bevorzugt in den Kombination 30 %/40 %/30 % oder 40 %/20 %/40 %,, wobei die angegebenen Dickenanteile produktionsbedingt um jeweils maximal 5 %, insbesondere maximal 3 %, der Gesamtdicke schwanken können.
- Cover layer in each case ≥10%, preferably in each case ≥20%, particularly preferably in each case ≥25% and core layer: ≥4%, preferably ≥15%, particularly preferably ≥35% of the total thickness, preferably in the combination of 30% / 40% / 30% or 40% / 20% / 40%, where the specified proportions of thickness can vary depending on the production by a maximum of 5%, in particular a maximum of 3%, of the total thickness.
Der bereitgestellte Stahlverbundwerkstoff besitzt vorzugsweise eine Gesamtdicke von ≥ 2,5 mm, insbesondere ≥4 mm, bevorzugt ≥5 mm, besonders bevorzugt ≥6 mm und ≤40 mm, bevorzugt ≤25 mm, besonders bevorzugt ≤18 mm.The steel composite material provided preferably has a total thickness of 2.5 mm, in particular 4 mm, preferably 5 mm, particularly preferably 6 mm and 40 mm, preferably 25 mm, particularly preferably 18 mm.
Der verwendete Stahlwerkstoffverbund besitzt insbesondere eine Kernlage aus einem Stahl, welche neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
- C: 0,17 bis 0,22 %,
- Si: 0,2 bis 0,45 %,
- Mn: 0,8
1,1 %,bis - P: bis 0,03 %,
- S: bis 0,01 %,
- Cr: 0,6 bis 0,9 %,
- Cu: 0,01 bis 0,05 %,
- Nb: bis 0,04 %,
- Mo:
bis 0,3 %, - N: bis 0,015 %,
- Ti: bis 0,02 %,
- V: bis 0,05 %,
- Ni:
bis 1,5 %, - B: bis 0,007 %,
- H: bis 0,0004 %,
- O: bis 0,002 %,
- Ca: bis 0,005 %,
- AI: 0,02
bis 0,1 %,
- C: 0,45 bis 0,60 %,
- Si: 0,15
bis 0,3 %, - Mn: 0,70
bis 1,0 %, - P: bis 0,03 %,
- S: bis 0,01 %,
- Cr: 0,80
1,2 %,bis - Cu:
bis 0,3 %, - Nb: bis 0,04 %,
- Mo:
bis 0,3 %, - N: bis 0,015 %,
- Ti: bis 0,02 %,
- V: 0,04 bis 0,25 %,
- Ni:
bis 1,5 %, - B: bis 0,007 %,
- H: bis 0,0004 %,
- O: bis 0,002 %,
- Ca: bis 0,005 %,
- Al: 0,01
bis 0,1 % besteht,
- C: 0.17 to 0.22%,
- Si: 0.2 to 0.45%,
- Mn: 0.8 to 1.1%,
- P: up to 0.03%,
- S: up to 0.01%,
- Cr: 0.6 to 0.9%,
- Cu: 0.01 to 0.05%,
- Nb: up to 0.04%,
- Mon: up to 0.3%,
- N: up to 0.015%,
- Ti: up to 0.02%,
- V: up to 0.05%,
- Ni: up to 1.5%,
- B: up to 0.007%,
- H: up to 0.0004%,
- O: up to 0.002%,
- Ca: up to 0.005%,
- AI: 0.02 to 0.1%,
- C: 0.45 to 0.60%,
- Si: 0.15 to 0.3%,
- Mn: 0.70 to 1.0%,
- P: up to 0.03%,
- S: up to 0.01%,
- Cr: 0.80 to 1.2%,
- Cu: up to 0.3%,
- Nb: up to 0.04%,
- Mon: up to 0.3%,
- N: up to 0.015%,
- Ti: up to 0.02%,
- V: 0.04 to 0.25%,
- Ni: up to 1.5%,
- B: up to 0.007%,
- H: up to 0.0004%,
- O: up to 0.002%,
- Ca: up to 0.005%,
- Al: 0.01 to 0.1%,
Alternativ wird ein Stahlwerkstoffverbund als besonders zweckmäßig angesehen, bei welchem der verwendete Stahlwerkstoffverbund eine Kernlage aus einem Stahl, welcher neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
- C: 0,17 bis 0,22 %,
- Si: 0,2 bis 0,45 %,
- Mn: 0,8
1,1 %,bis - P: bis 0,03 %,
- S: bis 0,01 %,
- Cr: 0,6 bis 0,9 %,
- Cu: 0,01 bis 0,05 %,
- Nb: bis 0,04 %,
- Mo:
bis 0,3 %, - N: bis 0,015 %,
- Ti: bis 0,02 %,
- V: bis 0,05 %,
- Ni:
bis 1,5 %, - B: bis 0,007 %,
- H: bis 0,0004 %,
- O: bis 0,002 %,
- Ca: bis 0,005 %,
- Al: 0,02
bis 0,1 %,
- C: 0,35 bis 0,45 %,
- Si: 0,1
bis 0,3 %, - Mn: 0,6
bis 1,0 %, - P: bis 0,03 %,
- S: bis 0,01 %,
- Cr: 0,5
bis 1,0 %, - Cu:
bis 0,3 %, - Nb: bis 0,04 %,
- Mo:
bis 0,3 %, - N: bis 0,015 %,
- Ti: bis 0,02 %,
- Ni: 0,9
1,3 %,bis - B: bis 0,007 %,
- H: bis 0,0004 %,
- O: bis 0,002 %,
- Ca: bis 0,005 %,
- Al: 0,02
bis 0,1 % besteht,
- C: 0.17 to 0.22%,
- Si: 0.2 to 0.45%,
- Mn: 0.8 to 1.1%,
- P: up to 0.03%,
- S: up to 0.01%,
- Cr: 0.6 to 0.9%,
- Cu: 0.01 to 0.05%,
- Nb: up to 0.04%,
- Mon: up to 0.3%,
- N: up to 0.015%,
- Ti: up to 0.02%,
- V: up to 0.05%,
- Ni: up to 1.5%,
- B: up to 0.007%,
- H: up to 0.0004%,
- O: up to 0.002%,
- Ca: up to 0.005%,
- Al: 0.02 to 0.1%,
- C: 0.35 to 0.45%,
- Si: 0.1 to 0.3%,
- Mn: 0.6 to 1.0%,
- P: up to 0.03%,
- S: up to 0.01%,
- Cr: 0.5 to 1.0%,
- Cu: up to 0.3%,
- Nb: up to 0.04%,
- Mon: up to 0.3%,
- N: up to 0.015%,
- Ti: up to 0.02%,
- Ni: 0.9 to 1.3%,
- B: up to 0.007%,
- H: up to 0.0004%,
- O: up to 0.002%,
- Ca: up to 0.005%,
- Al: 0.02 to 0.1%,
Die Zähigkeit der einzelnen Lagen eines mehrlagigen Verbundwerkstoffes ist experimentell nur schwer zu bestimmen. Wird dies gewünscht, müssen die einzelnen Lagen mechanisch oder thermisch voneinander getrennt und separat geprüft werden. Bei entsprechender Dicke der einzelnen Lagen bietet sich hierbei für die Zähigkeitsbestimmung die übliche zerstörende Prüfung im Kerbschlagbiegeversuch nach
Unter gehärtetem Zustand ist erfindungsgemäß gemeint, dass der Sicherheitsstahl einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei der Stahlwerkstoffverbund zunächst auf eine Temperatur erwärmt wird, welche nicht geringer als die Ac3-Temperatur des Stahls der Decklagen ist. Die Abkühlung erfolgt nach der Warmumformung im Presswerkzeug. In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann der Mehrlagenverbund noch angelassen, also insgesamt in den vergüteten Zustand überführt werden. Die Anlasstemperatur und -dauer sind hierbei so zu wählen, dass sich zumindest die Härte der ersten Decklage nicht zu stark verringert. Insbesondere wird eine Härteverringerung im Vergleich zur Ansprunghärte HV0 von maximal 100 HV10, besonders bevorzugt von maximal 70 HV10 toleriert. Das warmgeformte Bauteil kann im gehärteten Zustand als Bauteil für ballistische Zwecke eingesetzt werden.According to the invention, the hardened state means that the safety steel is subjected to a heat treatment, the steel material composite being first heated to a temperature which is not lower than the Ac3 temperature of the steel of the cover layers. The cooling takes place after the hot forming in the pressing tool. In a further embodiment of the invention, the multilayer composite can still be left on, that is to say can be converted into the tempered state as a whole. The tempering temperature and duration should be selected so that at least the hardness of the first top layer does not decrease too much. In particular, a reduction in hardness compared to the initial hardness HV 0 of a maximum of 100 HV10, particularly preferably of a maximum of 70 HV10, is tolerated. The thermoformed component can be used in the hardened state as a component for ballistic purposes.
HV entspricht der Vickers-Härte und wird nach
Der erfindungsgemäß verwendete Stahl kann band-, platten- oder blechförmig für die Warmumformung bereitgestellt werden. Bevorzugt ist der oben beschriebene dreilagige Stahlwerkstoffverbund im ebenen Zustand gehärtet oder vergütet, da hierdurch die im Folgenden beschriebenen Eigenschaften besonders homogen eingestellt werden können.The steel used according to the invention can be provided in the form of a strip, plate or sheet for hot forming. The three-layer steel material composite described above is preferably hardened or tempered in the flat state, since this allows the properties described below to be set in a particularly homogeneous manner.
Bei der Herstellung des verwendeten Stahlblechs erlaubt der ebene Zustand des dreilagigen Stahlwerkstoffverbunds, wenn die Bereitstellung für die Warmumformung im gehärteten oder vergüteten Zustand erfolgen soll, einen sehr schnellen, automatisierten Transport des Werkstoffverbundes von einem Austenitisierungsaggregat in ein Abschreckaggregat, wobei Austenitisieren und Abschrecken sowohl kontinuierlich an Bändern als auch an einzelnen Blechen oder Platten erfolgen kann.In the production of the steel sheet used, the flat state of the three-layer steel material composite allows very fast, automated transport of the material composite from an austenitizing unit into a quenching unit, with austenitizing and quenching both continuously on, if the provision for hot forming is to take place in the hardened or quenched and tempered state Bands as well as individual sheets or plates can be done.
Die Legierungselemente des Stahls der Kernlage sind wie folgt angegeben:
- C ist ein festigkeitssteigerndes Legierungselement und trägt mit zunehmendem Gehalt zur Härtesteigerung bei, indem es entweder als interstitielles Atom im Austenit gelöst vorliegt und bei der Abkühlung zur Bildung härteren Martensits beitragen oder mit Fe, Cr, Ti, Nb, V und/oder W Karbide bildet, die einerseits härter als die umgebende Matrix sein können oder diese zumindest so verzerren können, dass die Härte der Matrix steigt. C ist daher mit Gehalten von mindestens 0,001 Gew.-%, insbesondere
von mindestens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,15 Gew.-% vorhanden, um eine gewünschte Härte zu erreichen bzw. einzustellen. Die hier eingestellte Härte gewährleistet, dass auch die Kernlage zur Erhöhung der Beschuss- bzw. Verschleißfestigkeit des Verbundwerkstoffes beiträgt, wenn auch in deutlich geringerem Maße als die Decklagen. Darüber hinaus kann die Kernlage auch ausschließlich auf Zähigkeit ausgelegt sein und hierfür nur wenig Kohlenstoff aufweisen. Da die Kernlage im Wesentlichen zur Erhöhung der Zähigkeit des Stahlwerkstoffverbundes beitragen soll, ist der Gehalt auf maximal 0,25 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,22 Gew.-% beschränkt.
- C is a strength-increasing alloying element and, with increasing content, contributes to the increase in hardness, in that it is either dissolved in the austenite as an interstitial atom and contributes to the formation of harder martensites during cooling or forms carbides with Fe, Cr, Ti, Nb, V and / or W which on the one hand can be harder than the surrounding matrix or can at least distort it in such a way that the hardness of the matrix increases. C is therefore present with contents of at least 0.001% by weight, in particular of at least 0.1% by weight, preferably of at least 0.15% by weight, in order to achieve or set a desired hardness. The hardness set here ensures that the core layer also contributes to increasing the bullet resistance and wear resistance of the composite material, albeit to a significantly lesser extent than the top layers. In addition, the core layer can also be designed exclusively for toughness and for this purpose have only a little carbon. Since the core layer should essentially contribute to increasing the toughness of the steel material composite, the content is limited to a maximum of 0.25% by weight, in particular to a maximum of 0.22% by weight.
Si ist ein optionales Legierungselement, das zur Mischkristallhärtung beitragen und sich je nach Gehalt positiv in einer Härtesteigerung auswirken kann, so dass ein Gehalt insbesondere von mindestens 0,03 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-% vorhanden sein kann. Bei geringeren Gehalten ist eine Wirksamkeit von Si nicht klar nachweisbar, Si wirkt sich aber auch nicht negativ auf die Eigenschaften des Stahls aus. Wird dem Stahl zu viel Silizium zugegeben, hat dies einen negativen Einfluss auf die Schweißbarkeit, das Verformungsvermögen und die Zähigkeitseigenschaften. Daher ist das Legierungselement auf maximal 1,2 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,6 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Walzbarkeit sicherzustellen. Zudem kann Si zur Desoxidation des Stahls verwendet werden, falls der Einsatz von Al beispielsweise vermieden werden soll, um eine unerwünschte Abbindung z. B. bei Vorhandensein von N zu vermeiden.Si is an optional alloy element that contributes to solid solution hardening and, depending on its content, can have a positive effect in increasing the hardness, so that a content of at least 0.03% by weight, preferably at least 0.1% by weight, can be present. In the case of lower contents, the effectiveness of Si cannot be clearly demonstrated, but Si does not have a negative effect on the properties of the steel either. If too much silicon is added to the steel, this has a negative impact on weldability, deformability and toughness properties. The alloy element is therefore limited to a maximum of 1.2% by weight, in particular to a maximum of 0.6% by weight, in order to ensure adequate rollability. In addition, Si can be used to deoxidize the steel if the use of Al is to be avoided, for example, in order to prevent undesired binding, e.g. B. to be avoided in the presence of N.
Mn ist ein Legierungselement, das zur Härtbarkeit beiträgt, und wird insbesondere zum Abbinden von S zu MnS eingesetzt, so dass ein Gehalt von mindestens 0,1 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,6 Gew.-% vorhanden ist. Mangan setzt die kritische Abkühlgeschwindigkeit herab, wodurch die Härtbarkeit erhöht wird. Das Legierungselement ist auf maximal 2,5 Gew.-%, insbesondere auf maximal 1,8 Gew.%, um eine ausreichende Schweißbarkeit und ein gutes Umformverhalten sicherzustellen. Zudem wirkt Mn stark seigernd und ist daher vorzugsweise auf maximal 1,3 Gew.-% beschränkt.Mn is an alloying element that contributes to hardenability and is used in particular to bind S to MnS, so that it has a content of at least 0.1% by weight, in particular at least 0.6% by weight. Manganese reduces the critical cooling rate, which increases hardenability. The alloying element is to a maximum of 2.5% by weight, in particular to a maximum of 1.8% by weight, in order to ensure adequate weldability and good deformation behavior. In addition, Mn has a strong segregating effect and is therefore preferably limited to a maximum of 1.3% by weight.
P kann als Eisenbegleiter vorhanden sein, der sich stark zähigkeitsmindernd auswirkt und in Sicherheitsstählen üblicherweise zu den unerwünschten Begleitelementen zählt. Um seine festigkeitssteigernde Wirkung zu nutzen, kann es optional mit Gehalten insbesondere von mindestens 0,005 Gew.-% zulegiert werden. P kann aufgrund seiner geringen Diffusionsgeschwindigkeit beim Erstarren der Schmelze zu starken Seigerungen führen. Aus diesen genannten Gründen wird das Element auf maximal 0,05 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,03 Gew.-% begrenzt.P can be present as an iron companion, which has a strong toughness-reducing effect and is usually one of the undesirable accompanying elements in safety steels. In order to use its strength-increasing effect, it can optionally be added with contents in particular of at least 0.005% by weight. P can due to its low diffusion rate when solidifying the Melt lead to strong segregation. For these reasons, the element is limited to a maximum of 0.05% by weight, in particular to a maximum of 0.03% by weight.
S weist als unerwünschtes Begleitelement im Stahl eine starke Neigung zur Seigerung auf und bildet unerwünschtes FeS, weswegen es durch Mn abgebunden werden muss. Der S-Gehalt wird daher auf maximal 0,03 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,01 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,005 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,003 Gew.-% eingeschränkt.As an undesirable accompanying element in steel, S has a strong tendency to segregate and forms undesirable FeS, which is why it has to be bound by Mn. The S content is therefore restricted to a maximum of 0.03% by weight, in particular to a maximum of 0.01% by weight, preferably to a maximum of 0.005% by weight, preferably to a maximum of 0.003% by weight.
N kann als optionales Legierungselement eine ähnliche Wirkung wie C entfalten, denn seine Fähigkeit zur Nitridbildung kann sich positiv auf die Festigkeit auswirken. Bei Anwesenheit von Al bilden sich Aluminiumnitride, die die Keimbildung verbessern und das Kornwachstum behindern. Um die zuvor beschriebene Wirkung zu entfalten, kann es optional in Gehalten insbesondere von mindestens 0,001 Gew.-% zulegiert werden. Aus wirtschaftlichen Gründen werden Gehalte vorzugsweise von mindestens 0,002 Gew.-% bevorzugt. Der Gehalt ist auf maximal 0,02 Gew.-% begrenzt. Bevorzugt wird ein maximaler Gehalt von 0,015 Gew.-%, insbesondere ein maximaler Gehalt von 0,010 Gew.-% eingestellt, um bei Vorhandensein von Ti die unerwünschte Bildung grober Titannitride zu vermeiden, die sich negativ auf die Zähigkeit auswirken würden. Zudem wird bei Einsatz des Legierungselements Bor dieses von Stickstoff abgebunden, falls der Aluminium- oder Titangehalt nicht hoch genug bzw. nicht vorhanden ist.As an optional alloying element, N can have a similar effect to C, because its ability to form nitrides can have a positive effect on strength. In the presence of Al, aluminum nitrides are formed, which improve nucleation and hinder grain growth. In order to develop the effect described above, it can optionally be added in amounts in particular of at least 0.001% by weight. For economic reasons, contents of at least 0.002% by weight are preferred. The content is limited to a maximum of 0.02% by weight. A maximum content of 0.015% by weight, in particular a maximum content of 0.010% by weight, is preferably set in order to avoid the undesired formation of coarse titanium nitrides, which would have a negative effect on the toughness, in the presence of Ti. In addition, when the alloying element boron is used, it is bound by nitrogen if the aluminum or titanium content is not high enough or not available.
Cr kann als optionales Legierungselement je nach Gehalt auch zur Einstellung der Festigkeit, insbesondere positiv zur Härtbarkeit beitragen, mit einem Gehalt insbesondere von mindestens 0,05 Gew.-%. Zudem kann Cr allein oder in Kombination mit anderen Elementen als Karbidbildner eingesetzt werden. Wegen der positiven Wirkung auf die Zähigkeit des Materials, insbesondere auf die Zähigkeit der Kernlage, kann der Cr-Anteil bevorzugt auf mindestens 0,5 Gew.-% eingestellt werden. Das Legierungselement ist aus wirtschaftlichen Gründen auf maximal 2,5 Gew.-%, insbesondere auf maximal 1,5 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen.As an optional alloying element, depending on its content, Cr can also make a positive contribution to setting the strength, in particular to hardenability, with a content in particular of at least 0.05% by weight. In addition, Cr can be used alone or in combination with other elements as a carbide former. Because of the positive effect on the toughness of the material, in particular on the toughness of the core layer, the Cr content can preferably be set to at least 0.5% by weight. For economic reasons, the alloy element is limited to a maximum of 2.5% by weight, in particular to a maximum of 1.5% by weight, in order to ensure adequate weldability.
Cu als optionales Legierungselement kann mit einem Gehalt insbesondere von 0,005 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% zu einer Härtesteigerung beitragen.Cu as an optional alloying element, with a content in particular of 0.005% by weight to 1.0% by weight, can contribute to an increase in hardness.
Ti, Nb, V und/oder W können als optionale Legierungselemente einzeln oder in Kombination zur Kornfeinung zulegiert werden, zudem können sie zur Abbindung von N verwendet werden. Vor allem aber können diese Elemente als Mikrolegierungselemente eingesetzt werden, um festigkeitssteigernde Carbide, Nitride und/oder Carbonitride zu bilden. Zur Gewährleistung ihrer Wirksamkeit können Ti, Nb, V und/oder W mit Gehalten von jeweils oder in Summe mindestens 0,005 Gew.-% eingesetzt werden. Um eine entsprechende Wirkung zu erzielen, wird insbesondere ein Gehalt von in Summe mindestens 0,010 Gew.-% , besonders bevorzugt mindestens 0,020 Gew.-% zulegiert. Die Summe der Elemente kann insbesondere einen Wert von maximal 0,50 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,40 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 0,15 Gew.-% annehmen.. Zur vollständigen Abbindung von N durch Ti wäre der Gehalt an Ti mit mindestens 3,42*N vorzusehen. Um eine deutliche Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungsbildung erreichen zu können, wird insbesondere ein Gehalt von mindestens 0,02 Gew.-% Ti, insbesondere mindestens 0,02 Gew.-% Nb, insbesondere mindestens 0,02 Gew.-% V und/oder insbesondere mindestens 0,02 Gew.-% W eingesetzt, wobei der Einsatz von Ti und/oder Nb bevorzugt wird, da diese Legierungselemente einen besonders hohen Beitrag zur Kornfeinung liefern können, was neben der Festigkeitssteigerung auch die Zähigkeit der Kernlage erhöhen kann. Nb ist auf maximal 0,2 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,1 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,04 Gew.-%, Ti ist auf maximal 0,2 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,1 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,04 Gew.-%, V ist auf maximal 0,2 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt auf maximal 0,05 Gew.-% und W ist auf maximal 0,2 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt auf maximal 0,05 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Materialeigenschaften, insbesondere sich negativ auf die Zähigkeit des Kernlage auswirken können.Ti, Nb, V and / or W can be added as optional alloying elements individually or in combination for grain refinement; they can also be used to bind N. Above all, however, these elements can be used as micro-alloy elements in order to form strength-increasing carbides, nitrides and / or carbonitrides. To ensure their effectiveness, Ti, Nb, V and / or W can be used with contents of in each case or in total at least 0.005% by weight. In order to achieve a corresponding effect, a content of in total at least 0.010% by weight, particularly preferably at least 0.020% by weight, is added. The sum of the elements can in particular assume a value of a maximum of 0.50% by weight, preferably a maximum of 0.40% by weight, particularly preferably a maximum of 0.15% by weight Provide a Ti content of at least 3.42 * N. In order to be able to achieve a significant increase in strength through precipitation formation, a content of at least 0.02% by weight Ti, in particular at least 0.02% by weight Nb, in particular at least 0.02% by weight V and / or in particular at least 0.02 wt.% W is used, the use of Ti and / or Nb being preferred, since these alloying elements can make a particularly high contribution to grain refinement, which, in addition to increasing strength, can also increase the toughness of the core layer. Nb is to a maximum of 0.2% by weight, in particular to a maximum of 0.1% by weight, preferably to a maximum of 0.04% by weight, Ti is to a maximum of 0.2% by weight, in particular to a maximum of 0 , 1% by weight, preferably to a maximum of 0.04% by weight, V is to a maximum of 0.2% by weight, preferably to a maximum of 0.1% by weight, particularly preferably to a maximum of 0.05% by weight. -% and W is limited to a maximum of 0.2% by weight, preferably to a maximum of 0.1% by weight, particularly preferably to a maximum of 0.05% by weight, since higher contents have a detrimental effect on the material properties, in particular on themselves can have a negative effect on the toughness of the core layer.
Mo kann optional zur Erhöhung der Festigkeit und Verbesserung der Härtbarkeit zulegiert werden. Des Weiteren wirkt sich Mo positiv auf die Zähigkeitseigenschaften aus. Mo kann als Karbidbildner zur Erhöhung der Streckgrenze und Verbesserung der Zähigkeit eingesetzt werden. Um die Wirksamkeit dieser Effekte zu gewährleisten, kann ein Gehalt insbesondere von mindestens 0,01 Gew.-%, bevorzugt von mindestens 0,1 Gew.-% zulegiert werden. Aus Kostengründen wird der Maximalgehalt auf 1 Gew.-%, bevorzugt auf 0,3 Gew.-% beschränkt.Mo can optionally be added to increase strength and improve hardenability. Furthermore, Mo has a positive effect on the toughness properties. Mo can be used as a carbide former to increase the yield strength and improve the toughness. In order to ensure the effectiveness of these effects, a content of at least 0.01% by weight, preferably at least 0.1% by weight, can be added. For reasons of cost, the maximum content is limited to 1% by weight, preferably to 0.3% by weight.
Ni, welches optional mit bis zu maximal 5,5 Gew.-% zulegiert werden kann, kann positiv die Verformbarkeit des Materials, insbesondere die der Kernlage und damit verbunden die des Werkstoffverbundes beeinflussen. Durch eine Verringerung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit verbessert Nickel darüber hinaus die Härtung und Vergütung. Aus Kostengründen werden insbesondere Gehalte von maximal 2,5 Gew.-%, vorzugsweise von maximal 1,5 Gew.-%, bevorzugt von maximal 1,0 Gew.-%, besonders bevorzugt von maximal 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von maximal 0,3 Gew.-% eingestellt. Eine Wirkung des optionalen Legierungselements kann sich insbesondere ab 0,1 Gew.-% entfalten, geringere Gehalte können toleriert werden und beeinflussen das Werkstoffverhalten nicht wesentlich.Ni, which can optionally be added up to a maximum of 5.5% by weight, can have a positive effect on the deformability of the material, in particular that of the core layer and, associated therewith, that of the material composite. By reducing the critical cooling rate, nickel also improves hardening and tempering. For reasons of cost, contents of a maximum of 2.5% by weight, preferably of a maximum of 1.5% by weight, preferably of a maximum of 1.0% by weight, particularly preferably of a maximum of 0.5% by weight, are further increased preferably adjusted to a maximum of 0.3% by weight. An effect of the optional alloy element can develop in particular from 0.1% by weight, lower contents can be tolerated and do not significantly influence the material behavior.
B kann als optionales Legierungselement in atomarer Form die Gefügeumwandlung zu Ferrit/Bainit verzögern und die Härtbarkeit und Festigkeit verbessern, insbesondere wenn N durch starke Nitridbildner wie Al oder Nb abgebunden wird und kann mit einem Gehalt insbesondere von mindestens 0,0001 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,001 Gew.-% vorhanden sein. Das Legierungselement ist auf maximal 0,01 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,007 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Materialeigenschaften, insbesondere bezogen auf die Zähigkeit an den Korngrenzen auswirken können.As an optional alloying element in atomic form, B can delay the structural transformation to ferrite / bainite and improve hardenability and strength, in particular if N is bound by strong nitride formers such as Al or Nb and can in particular with a content of at least 0.0001% by weight, preferably at least 0.001% by weight. The alloying element is limited to a maximum of 0.01% by weight, in particular to a maximum of 0.007% by weight, since higher contents can have a detrimental effect on the material properties, in particular with regard to the toughness at the grain boundaries.
Sn, As und/oder Co sind optionale Legierungselemente, die einzeln oder in Kombination, wenn sie nicht gezielt zur Einstellung spezieller Eigenschaften zulegiert werden, zu den Verunreinigungen gezählt werden können. Die Gehalte sind beschränkt auf maximal 0,05 Gew.-% Sn, insbesondere auf maximal 0,04 Gew.-% Sn, auf maximal 0,50 Gew.-% Co und auf maximal 0,02 Gew.-% As.Sn, As and / or Co are optional alloying elements which, individually or in combination, if they are not specifically added to set special properties, can be counted among the impurities. The contents are limited to a maximum of 0.05% by weight Sn, in particular to a maximum of 0.04% by weight Sn, to a maximum of 0.50% by weight Co and to a maximum of 0.02% by weight As.
O ist üblicherweise unerwünscht, kann in geringsten Gehalten insbesondere ab 0,0005 Gew.-% jedoch auch förderlich sein, da Oxidbelegungen insbesondere auf der Trennschicht zwischen Kern- und Decklage die Diffusion zwischen den bewusst unterschiedlich legierten Stählen behindert, wie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
H ist als kleinstes Atom auf Zwischengitterplätzen im Stahl sehr beweglich und kann insbesondere in höchstfesten Stählen beim Abkühlen von der Warmwalzung zu Aufreißungen im Kern führen. Das Vorhandensein von H kann aus technischen Gründen nicht vollständig vermieden werden. H wird daher auf einen Gehalt von maximal 0,001 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,0006 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,0004 Gew.-%, weiter bevorzugt auf maximal 0,0002 Gew.-% reduziert.As the smallest atom, H is very mobile in interstitial spaces in steel and can lead to tears in the core when it cools down from hot rolling, especially in high-strength steels. For technical reasons, the presence of H cannot be completely avoided. H is therefore reduced to a content of a maximum of 0.001% by weight, in particular to a maximum of 0.0006% by weight, preferably to a maximum of 0.0004% by weight, more preferably to a maximum of 0.0002% by weight.
Ca kann optional der Schmelze als Entschwefelungsmittel und zur gezielten Sulfidbeeinflussung in Gehalten von bis zu 0,015 Gew.-%, bevorzugt bis zu 0,005 Gew.-% hinzugegeben werden, was zu einer veränderten Plastizität der Sulfide bei der Warmwalzung führt. Darüber hinaus wird durch die Kalziumzugabe bevorzugt auch das Kaltumformverhalten verbessert. Die beschriebenen Effekte sind ab Gehalten von 0,0005 Gew.-% wirksam, weswegen diese Grenze bei Einsatz von Ca als Minimum gewählt werden kann.Ca can optionally be added to the melt as a desulfurizing agent and for targeted sulfide influence in contents of up to 0.015% by weight, preferably up to 0.005% by weight, which leads to a changed plasticity of the sulfides during hot rolling. In addition, the addition of calcium preferably also improves the cold forming behavior. The effects described are effective from contents of 0.0005% by weight, which is why this limit can be selected as a minimum when using Ca.
Al trägt insbesondere zur Desoxidation bei, weshalb optional ein Gehalt insbesondere von mindestens 0,02 Gew.-% eingestellt werden kann. Das Legierungselement ist auf maximal 1,0 Gew.-% zur Gewährleistung einer möglichst guten Vergießbarkeit, insbesondere auf maximal 0,6 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,3 Gew.-% beschränkt, um unerwünschte Ausscheidungen im Material, insbesondere in Form von nichtmetallischen oxidischen Einschlüssen im Wesentlichen zu reduzieren und/oder zu vermeiden, welche die Materialeigenschaften negativ beeinflussen können. Beispielsweise ist der Gehalt zwischen 0,02 und 0,3 Gew.-% eingestellt. Al kann auch dafür eingesetzt werden, den im Stahl vorhandenen Stickstoff abzubinden.Al in particular contributes to deoxidation, which is why a content of in particular at least 0.02% by weight can optionally be set. The alloy element is limited to a maximum of 1.0% by weight to ensure the best possible castability, in particular to a maximum of 0.6% by weight, preferably to a maximum of 0.3% by weight, in order to avoid undesired precipitations in the material, in particular in To substantially reduce and / or avoid the form of non-metallic oxidic inclusions, which can negatively affect the material properties. For example, the content is set between 0.02 and 0.3% by weight. Al can also be used to bind the nitrogen present in the steel.
Sind in der Kernlage Nb, B und Al, optional Ca in den vorgegebenen Grenzen vorhanden, können diese Legierungselemente unter anderem eine Kornfeinung bewirken. Die Kornfeinung ist ein Verfestigungsmechanismus, bei dem neben der Festigkeit auch die Zähigkeit angehoben werden kann. Dadurch kann eine ausreichend hohe Zähigkeit und somit eine, mit einer im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Kernlagen ähnlichen Härte, hohe Impuls- und Energieabsorption sowie einen hohen Widerstand gegenüber Rissausbreitung im Stahlwerkstoffverbund, insbesondere im Sicherheitsstahl bereitgestellt werden.If Nb, B and Al, optionally Ca, are present in the core layer within the specified limits, these alloying elements can, among other things, bring about a grain refinement. Grain refinement is a strengthening mechanism in which not only strength but also toughness can be increased. As a result, a sufficiently high toughness and thus a hardness similar to that of other core layers known from the prior art, high momentum and energy absorption as well as a high resistance to crack propagation can be provided in the steel material composite, in particular in the safety steel.
Seltenerdmetalle (SEM) wie Cer, Lanthan, Neodym, Praseodym und andere können der Kernlage des Mehrlagenverbunds als optionale Legierungselemente hinzugegeben werden, um S, P und/oder O abzubinden und die Bildung von Oxiden und/oder Sulfiden sowie Phosphorsegregationen an Korngrenzen zu verringern bzw. ganz zu vermeiden und so die Zähigkeit zu erhöhen. Um eine erkennbare Wirkung zu erzielen, werden bei Einsatz von SEM Gehalte von mindestens 0,0005 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,0015 Gew.-% zulegiert. Der SEM-Gehalt wird auf maximal 0,01 Gew.-% begrenzt, um nicht zu viele zusätzliche Ausscheidungen zu bilden, was die Zähigkeit negativ beeinflussen kann. Insbesondere werden aus Kostengründen maximal 0,005 Gew.-% SEM zulegiert.Rare earth metals (SEM) such as cerium, lanthanum, neodymium, praseodymium and others can be added to the core layer of the multilayer composite as optional alloying elements in order to bind S, P and / or O and to reduce or reduce the formation of oxides and / or sulfides and phosphorus segregations at grain boundaries to avoid completely and thus to increase the toughness. In order to achieve a recognizable effect, contents of at least 0.0005% by weight, in particular of at least 0.0015% by weight, are added when using SEM. The SEM content is limited to a maximum of 0.01% by weight in order not to form too many additional precipitates, which can negatively affect the toughness. In particular, for reasons of cost, a maximum of 0.005% by weight of SEM is added.
Optionale Legierungselemente, deren Gehalt in der Kernlage unterhalb des angegebenen Mindestgehaltes liegen, sind als Verunreinigungen zu sehen, beeinflussen die Werkstoffeigenschaften nicht oder nur in geringem Maße und können daher toleriert werden.Optional alloying elements, the content of which in the core layer is below the specified minimum content, are to be seen as impurities, do not influence the material properties or only influence them to a small extent and can therefore be tolerated.
Die Legierungselemente des Stahls der Decklagen sind wie folgt angegeben:
- C ist ein festigkeitssteigerndes Legierungselement und trägt mit zunehmendem Gehalt zur Festigkeitssteigerung bei, so dass ein Gehalt von mindestens 0,35 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,40 Gew.-% vorhanden ist, um die gewünschte Festigkeit bzw. Härte im Stahlwerkstoffverbund zu erreichen bzw. einzustellen. Die maximale Aufhärtbarkeit von Stählen ist bei Abschreckung auf Raumtemperatur bei ca. 0,65 Gew.-% Kohlenstoff erreicht, so dass der Gehalt auf maximal 0,65 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,60 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,58 Gew.-%, besonders bevorzugt auf maximal 0,55 Gew.-% beschränkt ist. Die Beschränkung auf die vorgenannten Gehalte beeinflusst die Materialeigenschaften der Decklagen nicht negativ, insbesondere geht eine Kohlenstofferhöhung über die angegebenen Werte hinaus mit einer Sprödigkeitszunahme bzw. Zunahme der Rissanfälligkeit einher. Der weitere Vorteil, den C-Gehalt der Decklagen in den vorgenannten Grenzen einzustellen ist, dass beim Härten ein Restaustenitanteil im Gefüge kontrolliert eingestellt werden kann und vor dem Hintergrund der Schweißbarkeit insbesondere der CEV-Wert (carbon equivalent value) bzw. CET-Wert (carbon equivalent thyssen) gering gehalten werden kann. Die Definition bzw. Berechnung dieser Werte ist auf der Internetseite www.wikipedia.de unter dem Begriff Kohlenstoffäquivalent zu finden.
- C is a strength-increasing alloying element and, with increasing content, contributes to increasing strength, so that a content of at least 0.35% by weight, in particular at least 0.40% by weight, is present to achieve the desired strength or hardness in the steel material composite to achieve or to discontinue. The maximum hardenability of steels is reached when quenching to room temperature at approx. 0.65 wt.% Carbon, so that the content is preferably at a maximum of 0.65 wt is limited to a maximum of 0.58% by weight, particularly preferably to a maximum of 0.55% by weight. The restriction to the aforementioned contents does not have a negative effect on the material properties of the outer layers; in particular, an increase in carbon above the specified values is associated with an increase in brittleness or an increase in susceptibility to cracking. The further advantage of setting the C content of the top layers within the aforementioned limits is that a residual austenite content in the structure can be set in a controlled manner during hardening and, against the background of weldability, in particular the CEV value (carbon equivalent value) or CET value ( carbon equivalent thyssen) can be kept low. The definition and calculation of these values can be found on the website www.wikipedia.de under the term carbon equivalent.
Si ist ein optionales Legierungselement, das zur Mischkristallhärtung beitragen und sich je nach Gehalt positiv in einer Festigkeitssteigerung auswirken kann, so dass ein Gehalt insbesondere von mindestens 0,03 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,05 Gew.-%, bevorzugt von mindestens 0,10 Gew.-% vorhanden sein kann. Das Legierungselement ist auf maximal 1,2 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,6 Gew.% beschränkt, um eine ausreichende Walzbarkeit sicherzustellen.Si is an optional alloying element that contributes to solid solution hardening and, depending on its content, can have a positive effect in increasing strength, so that a content of at least 0.03% by weight, preferably of at least 0.05% by weight, preferably of at least 0.10% by weight can be present. The alloying element is limited to a maximum of 1.2% by weight, in particular to a maximum of 0.6% by weight, in order to ensure adequate rollability.
Mn ist ein Legierungselement, das zur Härtbarkeit beiträgt und sich positiv auf die Zugfestigkeit auswirkt, insbesondere zum Abbinden von S zu MnS, so dass ein Gehalt von mindestens 0,1 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,6 Gew.-% vorhanden ist. Das Legierungselement ist auf maximal 2,5 Gew.-%, insbesondere auf maximal 1,9 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 1,5 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen.Mn is an alloying element that contributes to hardenability and has a positive effect on tensile strength, in particular for setting S to MnS, so that a content of at least 0.1% by weight, in particular at least 0.6% by weight, is present is. The alloy element is limited to a maximum of 2.5% by weight, in particular to a maximum of 1.9% by weight, preferably to a maximum of 1.5% by weight, in order to ensure adequate weldability.
P kann als Eisenbegleiter vorhanden sein, der sich stark zähigkeitsmindernd auswirkt und in Sicherheitsstählen üblicherweise zu den unerwünschten Begleitelementen zählt. Um seine festigkeitssteigernde Wirkung zu nutzen, kann es optional mit Gehalten insbesondere von mindestens 0,005 Gew.-% zulegiert werden. P kann aufgrund seiner geringen Diffusionsgeschwindigkeit beim Erstarren der Schmelze zu starken Seigerungen führen. Aus diesen genannten Gründen wird das Element auf maximal 0,05 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,03 Gew.-%, begrenzt.P can be present as an iron companion, which has a strong toughness-reducing effect and is usually one of the undesirable accompanying elements in safety steels. In order to use its strength-increasing effect, it can optionally be added with contents in particular of at least 0.005% by weight. Due to its low diffusion rate, P can lead to severe segregation when the melt solidifies. For these reasons, the element is limited to a maximum of 0.05% by weight, in particular to a maximum of 0.03% by weight.
S weist als unerwünschtes Begleitelement im Stahl eine starke Neigung zur Seigerung auf und bildet unerwünschtes FeS, weswegen es durch Mn abgebunden werden muss. Der S-Gehalt wird daher auf maximal 0,03 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,01 Gew.-%, eingeschränkt.As an undesirable accompanying element in steel, S has a strong tendency to segregate and forms undesirable FeS, which is why it has to be bound by Mn. The S content is therefore restricted to a maximum of 0.03% by weight, in particular to a maximum of 0.01% by weight.
N kann als optionales Legierungselement eine ähnliche Wirkung wie C entfalten, denn seine Fähigkeit zur Nitridbildung kann sich positiv auf die Festigkeit auswirken. Bei Anwesenheit von Al bilden sich Aluminiumnitride, die die Keimbildung verbessern und das Kornwachstum behindern. Um die zuvor beschriebene Wirkung zu entfalten, kann es optional in Gehalten, insbesondere von mindestens 0,001 Gew.-% zulegiert werden. Aus wirtschaftlichen Gründen werden Gehalte von mindestens 0,002 Gew.-% bevorzugt. Der Gehalt ist auf maximal 0,02 Gew.-% begrenzt. Bevorzugt wird ein maximaler Gehalt von 0,015 Gew.-% eingestellt, um bei Vorhandensein von Ti die unerwünschte Bildung grober Titannitride zu vermeiden, die sich negativ auf die Zähigkeit auswirken würden. Zudem wird bei Einsatz des optionalen Legierungselements Bor dieses von Stickstoff abgebunden, falls der Aluminium- oder Titangehalt nicht hoch genug bzw. nicht vorhanden ist.As an optional alloying element, N can have a similar effect to C, because its ability to form nitrides can have a positive effect on strength. In the presence of Al, aluminum nitrides are formed, which improve nucleation and hinder grain growth. In order to develop the effect described above, it can optionally be added in amounts, in particular at least 0.001% by weight. For economic reasons, contents of at least 0.002% by weight are preferred. The content is limited to a maximum of 0.02% by weight. A maximum content of 0.015% by weight is preferably set in order to avoid the undesired formation of coarse titanium nitrides, which would have a negative effect on the toughness, in the presence of Ti. In addition, if the optional alloying element boron is used, it is bound by nitrogen if the aluminum or titanium content is not high enough or not present.
Cr kann als optionales Legierungselement je nach Gehalt auch zur Einstellung der Festigkeit, insbesondere positiv zur Härtbarkeit beitragen, mit einem Gehalt insbesondere von mindestens 0,1 Gew.-%. Zudem kann Cr allein oder in Kombination mit anderen Elementen als Karbidbildner eingesetzt werden. Die entstehenden (wachsenden) Karbide können zu einer Erhöhung der Härte führen und können einen wärmebedingten Härteabfall, beispielsweise durch ein Anlassen des gehärteten Stahlwerkstoffverbundes im Wesentlichen kompensieren. Wegen der positiven Wirkung auf die Zähigkeit des Materials kann der Cr-Anteil auf mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise auf mindestens 0,7 Gew.-% eingestellt werden. Das Legierungselement ist aus wirtschaftlichen Gründen auf maximal 3,5 Gew.-%, insbesondere auf maximal 2,5 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 2,0 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen.As an optional alloy element, depending on the content, Cr can also contribute to setting the strength, in particular positively to hardenability, with a content in particular of at least 0.1% by weight. In addition, Cr can be used alone or in combination with other elements as a carbide former. The resulting (growing) carbides can lead to an increase in hardness and can essentially compensate for a heat-related drop in hardness, for example by tempering the hardened steel material composite. Because of the positive effect on the toughness of the material, the Cr content can be set to at least 0.5% by weight, preferably to at least 0.7% by weight. For economic reasons, the alloy element is limited to a maximum of 3.5% by weight, in particular to a maximum of 2.5% by weight, preferably to a maximum of 2.0% by weight, in order to ensure adequate weldability.
Cu als optionales Legierungselement kann mit einem Gehalt insbesondere von 0,005 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% zu einer Härtesteigerung beitragen.Cu as an optional alloying element, with a content in particular of 0.005% by weight to 1.0% by weight, can contribute to an increase in hardness.
Ti, Nb, V und/oder W können als optionale Legierungselemente einzeln oder in Kombination zur Kornfeinung zulegiert werden, zudem können Ti, Nb und /oder V zur Abbindung von N verwendet werden. Vor allem aber können diese Elemente als Mikrolegierungselemente eingesetzt werden, um festigkeitssteigernde Carbide, Nitride und/oder Carbonitride zu bilden. Zur Gewährleistung ihrer Wirksamkeit können Ti, Nb, V und/oder W mit Gehalten von jeweils oder in Summe mindestens 0,005 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,01 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 0,02 Gew.% eingesetzt werden. Die Summe der Elemente kann insbesondere einen Wert von maximal 0,5 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,4 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 0,15 Gew.-% annehmen. Zur vollständigen Abbindung von N durch Ti wäre der Gehalt an Ti mit mindestens 3,42*N vorzusehen. Nb ist auf maximal 0,2 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,1 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,04 Gew.-%, Ti ist auf maximal 0,2 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,1 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,04 Gew.-%, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Materialeigenschaften der Decklagen auswirken können. V kann in Gehalten bis 0,8 Gew.-%, insbesondere von 0,04 bis 0,25 Gew.-%, vorzugsweise von 0,06 bis 0,20 Gew.-% zulegiert werden. Im Gegensatz zu den Ti- oder Nb-Karbiden können die V-Karbide beim Austenitisieren im Zuge des Warmumformprozesses recht leicht teilweise oder vollständig aufgelöst werden, wodurch V in gelöster Form genutzt werden kann, um unerwünschtes Austenitkornwachstum zu reduzieren bzw. zu verhindern. W kann bei Gehalten von 0,01 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere bis 1,3 Gew.-%, vorzugsweise bis 0,7 Gew.-% zur Bildung von Wolframkarbiden führen und/oder zur Bildung von intermetallischen Phasen dienen. Der Einsatz von W als Mikrolegierungselement wird bevorzugt, wofür Gehalte insbesondere von maximal 0,2 Gew.-%, vorzugsweise von maximal 0,1 Gew.-%, bevorzugt von maximal 0,04 Gew.-%, eingesetzt werden.Ti, Nb, V and / or W can be added as optional alloying elements individually or in combination for grain refinement. In addition, Ti, Nb and / or V can be used to tie N. Above all, however, these elements can be used as micro-alloy elements in order to form strength-increasing carbides, nitrides and / or carbonitrides. To ensure their effectiveness, Ti, Nb, V and / or W can be used with contents of in each case or in total at least 0.005% by weight, in particular at least 0.01% by weight, particularly preferably at least 0.02% by weight. The sum of the elements can in particular assume a value of a maximum of 0.5% by weight, preferably a maximum of 0.4% by weight, particularly preferably a maximum of 0.15% by weight. For complete binding of N by Ti, the content of Ti would have to be at least 3.42 * N. Nb is to a maximum of 0.2% by weight, in particular to a maximum of 0.1% by weight, preferably to a maximum of 0.04% by weight, Ti is to a maximum of 0.2% by weight, in particular to a maximum of 0 , 1% by weight, preferably to a maximum of 0.04% by weight, since higher contents can have a detrimental effect on the material properties of the outer layers. V can be added in amounts of up to 0.8% by weight, in particular from 0.04 to 0.25% by weight, preferably from 0.06 to 0.20% by weight. In contrast to the Ti or Nb carbides, the V carbides can easily be partially or completely dissolved during austenitizing in the course of the hot forming process, whereby V can be used in dissolved form to reduce or prevent undesired austenite grain growth. At contents of 0.01 to 1.5% by weight, in particular up to 1.3% by weight, preferably up to 0.7% by weight, W can lead to the formation of tungsten carbides and / or serve to form intermetallic phases . The use of W as a micro-alloy element is preferred, for which contents in particular of a maximum of 0.2% by weight, preferably of a maximum of 0.1% by weight, preferably of a maximum of 0.04% by weight, are used.
Mo kann optional zur Erhöhung der Festigkeit und Verbesserung der Durchhärtbarkeit zulegiert werden. Um die Wirksamkeit dieser Effekte zu gewährleisten, ist ein Gehalt von mindestens 0,1 Gew.-% erforderlich. Des Weiteren wirkt sich Mo positiv auf die Zähigkeitseigenschaften aus. Mo kann als Karbidbildner zur Erhöhung der Streckgrenze und Verbesserung der Zähigkeit eingesetzt werden. Aus Kostengründen wird der Maximalgehalt auf 1,5 Gew.-%, insbesondere auf 0,5 Gew.-%, vorzugsweise auf 0,3 Gew.-% beschränkt.Mo can optionally be added to increase the strength and improve the hardenability. To ensure the effectiveness of these effects, a content of at least 0.1% by weight is required. Furthermore, Mo has a positive effect on the toughness properties. Mo can be used as a carbide former to increase the yield strength and improve the toughness. For reasons of cost, the maximum content is limited to 1.5% by weight, in particular to 0.5% by weight, preferably to 0.3% by weight.
Ni, welches optional mit bis zu maximal 5,5 Gew.-% zulegiert werden kann, kann positiv die Verformbarkeit des Materials beeinflussen. Durch eine Verringerung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit erhöht Nickel darüber hinaus die Härtung und Vergütung. Aus Kostengründen werden Gehalte insbesondere von maximal 2,0 Gew.%, vorzugsweise von maximal 1,5 Gew.-% eingestellt. Eine Wirkung des optionalen Legierungselements kann sich insbesondere ab 0,1 Gew.-% entfalten, geringere Gehalte können toleriert werden und beeinflussen das Materialverhalten nicht wesentlich.Ni, which can optionally be added up to a maximum of 5.5% by weight, can have a positive effect on the deformability of the material. By reducing the critical cooling rate, nickel also increases hardening and tempering. For cost reasons, contents of a maximum of 2.0% by weight, preferably a maximum of 1.5% by weight, are set. An effect of the optional alloy element can develop in particular from 0.1% by weight, lower contents can be tolerated and do not significantly influence the material behavior.
B kann als optionales Legierungselement in atomarer Form die Gefügeumwandlung zu Ferrit/Bainit verzögern und die Härtbarkeit und Festigkeit verbessern, insbesondere wenn N durch starke Nitridbildner wie Al, Nb und/oder Ti abgebunden wird und kann mit einem Gehalt insbesondere von mindestens 0,0001 Gew.-% vorhanden sein. Das Legierungselement ist auf maximal 0,01 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,007 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Materialeigenschaften, insbesondere bezogen auf die Duktilität an Korngrenzen, auswirken können.As an optional alloying element in atomic form, B can delay the structural transformation to ferrite / bainite and improve hardenability and strength, especially if N is bonded by strong nitride formers such as Al, Nb and / or Ti and can with a content of at least 0.0001 wt .-% to be available. The alloying element is limited to a maximum of 0.01% by weight, in particular to a maximum of 0.007% by weight, since higher contents can have a disadvantageous effect on the material properties, in particular with regard to the ductility at grain boundaries.
Sn, As und/oder Co sind optionale Legierungselemente, die einzeln oder in Kombination, wenn sie nicht gezielt zur Einstellung spezieller Eigenschaften zulegiert werden, zu den Verunreinigungen gezählt werden können. Die Gehalte sind beschränkt auf maximal 0,05 Gew.-% Sn, insbesondere auf maximal 0,04 Gew.-% Sn, auf maximal 0,50 Gew.-% Co und auf maximal 0,02 Gew.-% As.Sn, As and / or Co are optional alloying elements which, individually or in combination, if they are not specifically added to set special properties, can be counted among the impurities. The contents are limited to a maximum of 0.05% by weight Sn, in particular to a maximum of 0.04% by weight Sn, to a maximum of 0.50% by weight Co and to a maximum of 0.02% by weight As.
O ist üblicherweise unerwünscht, kann in geringsten Gehalten jedoch auch förderlich sein, da Oxidbelegungen insbesondere auf der Trennschicht zwischen Kern- und Decklage die Diffusion zwischen den bewusst unterschiedlich legierten Stählen behindert, wie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
H ist als kleinstes Atom auf Zwischengitterplätzen im Stahl sehr beweglich und kann insbesondere in höchstfesten Stählen beim Abkühlen von der Warmwalzung zu Aufreißungen im Kern führen. Das Vorhandensein von H kann aus technischen Gründen nicht vollständig vermieden werden. H wird daher auf einen Gehalt von maximal 0,001 Gew.-%, insbesondere von maximal 0,0006 Gew.-%, vorzugsweise von maximal 0,0004 Gew.-%, bevorzugt von maximal 0,0002 Gew.-% reduziert.As the smallest atom, H is very mobile in interstitial spaces in steel and can lead to tears in the core when it cools down from hot rolling, especially in high-strength steels. For technical reasons, the presence of H cannot be completely avoided. H is therefore reduced to a content of a maximum of 0.001% by weight, in particular a maximum of 0.0006% by weight, preferably a maximum of 0.0004% by weight, preferably a maximum of 0.0002% by weight.
Ca kann optional der Schmelze als Entschwefelungsmittel und zur gezielten Sulfidbeeinflussung in Gehalten von bis zu 0,015 Gew.-%, insbesondere bis zu 0,005 Gew.-% hinzugegeben werden, was zu einer veränderten Plastizität der Sulfide bei der Warmwalzung führt. Darüber hinaus wird durch die Kalziumzugabe bevorzugt auch das Kaltumformverhalten verbessert. Die beschriebenen Effekte sind ab Gehalten insbesondere von 0,0005 Gew.-% wirksam, weswegen diese Grenze bei Einsatz von Ca als Minimum gewählt werden kann.Ca can optionally be added to the melt as a desulphurizing agent and for targeted sulphide influence in contents of up to 0.015% by weight, in particular up to 0.005% by weight, which leads to a changed plasticity of the sulphides during hot rolling. In addition, the addition of calcium preferably also improves the cold forming behavior. The effects described are particularly effective from contents of 0.0005% by weight, which is why this limit can be selected as a minimum when using Ca.
Al kann insbesondere zur Desoxidation beitragen. Das Legierungselement ist auf maximal 2,0 Gew.-% zur Gewährleistung einer möglichst guten Vergießbarkeit, insbesondere auf maximal 1,0 Gew.-%, vorzugsweise auf maximal 0,5 Gew.-%, bevorzugt auf maximal 0,3 Gew.-% beschränkt, um unerwünschte Ausscheidungen im Material insbesondere in Form von nicht-metallischen oxidischen Einschlüssen im Wesentlichen zu reduzieren und/oder zu vermeiden, welche die Materialeigenschaften negativ beeinflussen können.In particular, Al can contribute to deoxidation. The alloying element is to be limited to a maximum of 2.0% by weight to ensure the best possible castability, in particular to a maximum of 1.0% by weight, preferably to a maximum of 0.5% by weight, preferably to a maximum of 0.3% by weight. % limited in order to essentially reduce and / or avoid undesired precipitations in the material, in particular in the form of non-metallic oxidic inclusions, which can negatively influence the material properties.
SEM wie Cer, Lanthan, Neodym, Praseodym und andere können den Decklagen des Mehrlagenverbunds als optionale Legierungselemente hinzugegeben werden, um S, P und/oder O abzubinden und die Bildung von Oxiden und/oder Sulfiden sowie Phosphorsegregationen an Korngrenzen zu verringern bzw. ganz zu vermeiden. Hierdurch kann insbesondere das Risiko verringert werden, dass im Falle des Beschusses des Sicherheitsstahls oder der prallenden Belastung Partikel aus den Decklagen ausbrechen, was bei erneuter Belastung eine deutliche Materialschwächung bedeuten würde. Um eine erkennbare Wirkung zu erzielen, werden bei Einsatz von SEM Gehalte insbesondere von mindestens 0,0005 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,0015 Gew.-% zulegiert. Der SEM-Gehalt wird auf maximal 0,01 Gew.-% begrenzt, um nicht zu viele zusätzliche Ausscheidungen zu bilden, was die Zähigkeit negativ beeinflussen kann. Bevorzugt werden aus Kostengründen maximal 0,005 Gew.-% SEM zulegiert.SEM such as cerium, lanthanum, neodymium, praseodymium and others can be added to the outer layers of the multilayer composite as optional alloying elements in order to bind S, P and / or O and to reduce or even completely reduce the formation of oxides and / or sulfides as well as phosphorus segregations at grain boundaries avoid. This can in particular reduce the risk that particles break out of the cover layers in the event of the security steel being bombarded or the impacting load, which would mean a significant weakening of the material in the event of renewed loading. In order to achieve a recognizable effect, when using SEM, contents of at least 0.0005% by weight, preferably of at least 0.0015% by weight, are added. The SEM content is limited to a maximum of 0.01% by weight in order not to form too many additional precipitates, which can negatively affect the toughness. For reasons of cost, preference is given to adding a maximum of 0.005% by weight of SEM.
Optionale Legierungselemente, deren Gehalt in den Decklagen unterhalb des angegebenen Mindestgehaltes liegen, sind als Verunreinigungen zu sehen, beeinflussen die Werkstoffeigenschaften nicht oder nur in geringem Maße und können daher toleriert werden.Optional alloying elements, the content of which in the top layers is below the specified minimum content, are to be seen as impurities, do not influence the material properties or only influence them to a small extent and can therefore be tolerated.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Sicherheitsstahl mittels Plattieren, insbesondere Walzplattieren, wie es beispielsweise in der deutschen Patentschrift
Zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften wird, wenn die Bereitstellung des Stahlwerkstoffverbundes für die Warmumformung im gehärteten oder vergüteten Zustand erfolgen soll, der erfindungsgemäß bereitgestellte Stahlwerkstoffverbund durch beschleunigte Abkühlung gehärtet. Die beschleunigte Abkühlung findet dabei in einer bevorzugten Ausführung direkt nach dem Warmwalzplattieren bzw. Warmwalzen ohne vorherige Abkühlung aus der Walzhitze statt. Die Kühlung wird dabei bei einer so genannten Kühlstopptemperatur beendet, welche unterhalb der Martensit-StartTemperatur Ms der Decklagen, bevorzugt unterhalb der Martensit-Finish-Temperatur Mf der Decklagen oder bei maximal 100°C oberhalb der Raumtemperatur, insbesondere bei der niedrigeren der beiden Temperaturen Mf und Raumtemperatur + 100°C, liegt.To set the desired properties, if the steel material composite is to be provided for hot forming in the hardened or tempered state, the steel material composite provided according to the invention is hardened by accelerated cooling. In a preferred embodiment, the accelerated cooling takes place directly after the hot-roll cladding or hot-rolling without prior cooling from the rolling heat. The cooling is ended at a so-called cooling stop temperature, which is below the martensite start temperature Ms of the cover layers, preferably below the martensite finish temperature Mf of the cover layers or at a maximum of 100 ° C above room temperature, in particular at the lower of the two temperatures Mf and room temperature + 100 ° C.
In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführung kann, wenn die Bereitstellung des Stahlwerkstoffverbundes für die Warmumformung im gehärteten oder vergüteten Zustand erfolgen soll, die Härtung auch wie folgt stattfinden: nach dem Warmwalzen kühlt das Material zunächst auf Temperaturen von unter 500°C ab, um unerwünschte Effekte wie Kornwachstum oder Vergröberung von Ausscheidungen zu vermeiden. Die Abkühlung kann dabei sowohl im Coil oder als Platte an Luft als auch durch Beaufschlagung mit einem Kühlmedium wie z. B. Wasser oder Öl stattfinden. Aus logistischen Gründen wird eine Abkühlung auf unter 100°C bevorzugt, besonders bevorzugt auf eine Temperatur nahe der Raumtemperatur. Anschließend wird der Stahlwerkstoffverbund mindestens teilweise austenitisiert und hierfür auf eine Temperatur von mindestens Ac1 der Decklagen erwärmt. Bevorzugt werden eine vollständige Austenitisierung und eine dementsprechende Erwärmung auf mindestens Ac3 der Decklagen durchgeführt. Aus energetischen Gründen wird die Austenitisierungstemperatur auf maximal 1100°C, zur Vermeidung von unerwünschtem Austenitkornwachstum bevorzugt auf maximal (Ac3 + 200°C) des Stahls der zweiten Decklage, besonders bevorzugt auf maximal (Ac3 + 100°C) des Stahls der zweiten Decklage beschränkt.In an alternative, also preferred embodiment, if the steel material composite is to be provided for hot forming in the hardened or tempered state, hardening can also take place as follows: after hot rolling, the material first cools down to temperatures below 500 ° C to avoid undesirable Avoid effects such as grain growth or coarsening of excretions. The cooling can take place either in the coil or as a plate in air or by applying a cooling medium such as. B. water or oil take place. For logistical reasons, cooling to below 100 ° C. is preferred, particularly preferably to a temperature close to room temperature. The steel material composite is then at least partially austenitized and, for this purpose, heated to a temperature of at least Ac1 of the cover layers. Preference is given to complete austenitization and corresponding heating on at least Ac3 of the cover layers. For energetic reasons, the austenitizing temperature is limited to a maximum of 1100 ° C, to avoid undesired austenite grain growth, preferably to a maximum of (Ac3 + 200 ° C) of the steel of the second cover layer, particularly preferably to a maximum of (Ac3 + 100 ° C) of the steel of the second cover layer .
Die genannten Gefügeanteile in % beziehen sich hierbei auf mit Ausnahme der Angaben zu den Gehalten an Austenit, die üblicherweise durch Röntgendiffraktometrie bestimmt werden und daher in Vol.-% angegeben sind, auf die im Schliff betrachtete Fläche. Die mittlere ehemalige Austenitkorngröße wird vorzugsweise mittels der ARPGE Software bestimmt.The stated structural proportions in% relate to those in the section, with the exception of the information on the austenite contents, which are usually determined by X-ray diffractometry and are therefore given in% by volume considered area. The mean former austenite grain size is preferably determined using the ARPGE software.
Bei der Belastung des warmgeformten Bauteils aus dem besagten Stahlverbundwerkstoff weisen die einzelnen Lagen folgende Funktionen auf:
- Die erste Decklage weist durch ihre Härte einen hohen Eindringwiderstand auf und ist geeignet, ein auftreffendes Projektil zu brechen oder in seinem Umfang aufzuweiten.
- Die Kernlage absorbiert bei Beschuss oder Ansprengung durch ihre hohe Zähigkeit die Energie. Wenn durch eine Überbeanspruchung der ersten Decklage darin Risse entstehen, können diese durch den hohen Widerstand der Kernlage gegen Rissausbreitung gestoppt werden, ohne dass es zum Versagen des betroffenen Bauteils kommt. Insbesondere wird die Härtedifferenz zwischen diesen Lagen (Decklage zu Kernlage) auf mindestens 70 HV10, vorzugsweise auf mindestens 100 HV10, bevorzugt auf mindestens 200 HV10, besonders bevorzugt auf mindestens 250 HV10, eingestellt.
- Due to its hardness, the first cover layer has a high penetration resistance and is suitable for breaking an impacting projectile or for expanding its circumference.
- The core layer, due to its high toughness, absorbs the energy in the event of fire or blasting. If cracks occur in the first cover layer as a result of overstressing, these can be stopped by the high resistance of the core layer to the propagation of cracks without causing the component concerned to fail. In particular, the hardness difference between these layers (top layer to core layer) is set to at least 70 HV10, preferably to at least 100 HV10, preferably to at least 200 HV10, particularly preferably to at least 250 HV10.
Die zweite Decklage ist erforderlich, um im Falle einer Beschussbelastung die von den vorherigen Lagen gebremsten, gebrochenen und/oder aufgeweiteten Projektile oder Projektilbruchstücke daran zu hindern, den Stahlwerkstoffverbund vollständig zu durchdringen. Im Falle der Belastung durch Beschuss und/oder Ansprengung ist die zweite Decklage erforderlich, um die Verformung des Stahlwerkstoffverbundes zu begrenzen: während die erste Decklage nach üblichen Belastungen Risse aufweisen kann und daher nicht mehr zur Versteifung des Bauteils beiträgt, verhindert die im Vergleich zur Kernlage deutlich erhöhte Streckgrenze der zweiten Decklage eine zu große bleibende plastische Verformung.The second cover layer is required in order to prevent the projectiles or projectile fragments, braked, broken and / or expanded by the previous layers, from completely penetrating the steel material composite in the event of a bullet load. In the event of exposure to bombardment and / or blasting, the second top layer is required to limit the deformation of the steel material composite: while the first top layer can show cracks after normal loads and therefore no longer contributes to the stiffening of the component, this prevents this compared to the core layer significantly increased yield point of the second top layer, too great a permanent plastic deformation.
Das erfindungsgemäße hergestellte Stahlbauteil eignet sich als Sicherheitsstahl zur Herstellung von Bauteilen zum Schutz von Lebewesen, Gegenständen und Vorrichtungen, insbesondere Gebäuden oder Fahrzeugen gegen ballistische Bedrohungen oder Ansprengung oder zum Schutz vor hochdrehenden Maschinen mit der Gefahr von abfliegenden Bauteilen. Das Stahlbauteil kann einzeln oder als eine Komponente in einem mehrteiligen Schutzsystem verwendet bzw. eingesetzt werden. Durch die hervorragenden Eigenschaften und insbesondere wirtschaftliche Herstellung können die besagten Stahlbauteile insbesondere bestehende Konzepte, beispielsweise in der Herstellung teure ballistische Keramiken substituieren. Durch die hervorragenden Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf Härte und Zähigkeiten, und damit verbunden auch einer potentiellen Gewichtsersparnis, kann das erfindungsgemäße Stahlbauteil auch für den Schutz gegen Bedrohungen in der Luftfahrtindustrie, wie z. B. in Flugzeugen oder Hubschraubern verwendet werden. Weitere Einsatzgebiete können sein: in der Raumfahrtindustrie, im Raketenbau, zum Schutz von Satelliten, in der Rüstungsindustrie allgemein, im Schiffbau, insbesondere zum Schutz von Panic Rooms oder hochsensibler Einrichtungen wie Operationszentrale (Gefechtsstand) und Brücke, insbesondere bei konstruktiv vorgegebenen geringen Einbautiefen.The steel component produced according to the invention is suitable as safety steel for the production of components for the protection of living beings, objects and devices, in particular buildings or vehicles against ballistic threats or blasting or for protection against high-speed machines with the risk of flying components. The steel component can be used or used individually or as a component in a multi-part protection system. Due to the excellent properties and, in particular, economical production, the said steel components can in particular replace existing concepts, for example ballistic ceramics that are expensive to manufacture. Due to the excellent properties, in particular with regard to hardness and toughness, and associated therewith also a potential weight saving, the steel component according to the invention can also be used for protection against threats in the aviation industry, such as. B. used in airplanes or helicopters. Further areas of application can be: in the space industry, in rocket construction, for the protection of satellites, in the armaments industry in general, in shipbuilding, in particular for the protection of panic rooms or highly sensitive facilities such as the operations center (command post) and bridges, in particular with structurally specified low installation depths.
In der
Zur Herstellung wurden jeweils Blechzuschnitte mit zwei Decklagen
Aus dem hergestellten Stahlwerkstoffverbund wurden Platinen abgeteilt. Die Platinen, welche eine Größe 6000 mm x 2000 mm aufwiesen, wurden auf Austenitisierungstemperatur, insbesondere oberhalb von Ac3 bezogen auf die Decklagen
Es wurde ermittelt, dass durch das Zusammenspiel der Legierungselemente zwischen den einzelnen Lagen im Stahlwerkstoffverbund in der Kernlage
Die
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- KernlageCore situation
- 22
- obere Decklageupper cover layer
- 33
- untere Decklagelower top layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102016204567 A1 [0052, 0072]DE 102016204567 A1 [0052, 0072]
- DE 102005006606 B3 [0078]DE 102005006606 B3 [0078]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- A. Latz et al.: Modelling of Hardenability and Tempering of High-Strength Structural Steels. HTM J. Heat Treatm. Mat. 74 (2019) [0018]A. Latz et al .: Modeling of Hardenability and Tempering of High-Strength Structural Steels. HTM J. Heat Treatm. Mat. 74 (2019) [0018]
- DIN EN ISO 148-1:2010 [0034]DIN EN ISO 148-1: 2010 [0034]
- DIN EN ISO 643:2012 [0034]DIN EN ISO 643: 2012 [0034]
- C. Cayron et al. im Jahre 2006 publiziert, s. „Materials Characterization 57“, S. 386-401 [0034]C. Cayron et al. published in 2006, see "Materials Characterization 57", pp. 386-401 [0034]
- DIN EN ISO 6507-1:2005 [0036]DIN EN ISO 6507-1: 2005 [0036]
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EP2123447A1 (en) | 2008-05-07 | 2009-11-25 | ThyssenKrupp Steel Europe AG | Composite material with ballistic protective effect |
DE102016204567A1 (en) | 2016-03-18 | 2017-09-21 | Thyssenkrupp Ag | Method for producing a hot-rolled material composite, flat product package, hot-rolled material composite and its use |
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2020
- 2020-02-13 DE DE102020103831.3A patent/DE102020103831A1/en not_active Withdrawn
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