Stahl. - ein High-Tech Werkstoff. Dr. Christian Bernhard Department für Metallurgie Montanuniversität Leoben

Transkript

1 Stahl - ein High-Tech Werkstoff Dr. Christian Bernhard Vortrag an der HTL - Waidhofen 22. Februar 2008

2 Inhalt Stahl - ein High-Tech Werkstoff Einleitung Daten zur Stahlerzeugung Umweltverträglichkeit Eigenschaften von Stahl Ausgewählte Beispiele: Entwicklung höherfester Stähle TWIP - Stähle Schienenstähle Werkzeugstähle Abschluss

4 Weltweite Stahlerzeugung nach Regionen Quelle: Homepage des Stahlzentrums VDEh

5 Weltweite Stahlerzeugung, Verfahren, Produkte Quelle: Homepage des Stahlzentrums VDEh

6 Weltjahresproduktion Stahl und die höchsten Gebäude der Welt 600m Stahl 2006: (ca mio t) 500m 400m ca. 540x540x540 m³ Jahresproduktion Österreich (ca. 7 mio t) Sears Tower (527 m) Empire State Building (449 m) Taipeh 101 (508 m) Petronas Towers (452 m) Quelle, Gebäude:

7 Flachprodukte:

8 Flachprodukte: Langprodukte: Kindberg: Rohr Donawitz: Schiene Bruck/Mur: Draht

9 Flachprodukte: Langprodukte: Edelstähle: Kapfenberg Mitterdorf

10 Flachprodukte: Langprodukte: Edelstähle: Betonstahl: Federnstähle Judenburg

11 Flachprodukte: Langprodukte: Edelstähle: Ybbstal Betonstahl: Mürzzuschlag Federnstähle Precision Strip

12 Profilform GmbH Finaltechnik GmbH Krems Traisen Gießerei Traisen GmbH

13 Umsatz der weltgrößten Stahlkonzerne 12. Nach der Jahresproduktion (t/a) stehen voestalpine und Böhler weltweit nur an 45. Stelle! Quelle: Homepage des Stahlzentrums VDEh

14 Der Wettbewerb hat gut getan: Paradigmenwechsel in der Stahlindustrie Kritische Analyse Quelle: Werkstoffzentrum Stahl

16 CO 2 Emissionen bei der Stahlherstellung Limits für eine Erhöhung des EAF - Anteils: Schrottverfügbarkeit, Qualitätsanforderungen an Produkte Quelle: H.-U. Lindenberg: stahl und eisen 124 (2004), Nr. 2, S

17 Entwicklung der CO 2 -Emissionen zwischen 1990 und 2006 Quelle: Ameling, D.: IISI-41, Berlin, Oktober 2007

18 Verbrauch von Reduktionsmittel im Hochofen Vergleich nach Regionen Quelle: Ameling, D.: IISI-41, Berlin, Oktober 2007

19 Ultra Low CO 2 Steelmaking (ULCOS) European Project in Frame Program 6 48 Organizations from 13 countries Aim: Developing break-through technologies in order to lower CO 2 -emission drastically, after 5 years: launch of large scale pilot demonstration plants Fields of activities: Blast furnace (Plasma BF, O 2 -BF, etc.) Smelting reduction (HPSR, CCF, etc.) Direct reduction with H 2 Hydrogen production Electrolysis steel production CO 2 -capture and storage for steelmaking Biomass based steelmaking HSPR = Hydrogen Plasma Smelting Reduction

21 Wichtige Eigenschaften von Stahl Mechanische Kennwerte: Streckgrenze R p02 < 140 bis > MPa Zugfestigkeit R m ~ 230 bis > MPa Bruchdehnung A ~ 4 bis > 45 % Quelle: Vorlesung Herstellwege ausgewählter Produktgruppen, LfM, 2006 und Werkstoffkunde Stahl, RWTH Aachen, 2004

22 Wichtige Eigenschaften von Stahl Mechanische Kennwerte: Streckgrenze R p02 < 140 bis > MPa Zugfestigkeit R m ~ 230 bis > MPa Bruchdehnung A ~ 4 bis > 45 % Einsatztemperatur ~ -250 bis ~ 1300 C Kenngröße: Kerbschlagzähigkeit Zeitstandfestigkeit Quelle: Vorlesung Herstellwege ausgewählter Produktgruppen, LfM, 2006 und Werkstoffkunde Stahl, RWTH Aachen, 2004

23 Wichtige Eigenschaften von Stahl Mechanische Kennwerte: Streckgrenze R p02 < 140 bis > MPa Zugfestigkeit R m ~ 230 bis > MPa Bruchdehnung A ~ 4 bis > 45 % Einsatztemperatur ~ -250 bis ~ 1300 C Kenngröße: Kerbschlagzähigkeit Zeitstandfestigkeit Andere Eigenschaften: Korrosionsbeständigkeit bis > 45 PRE(N) Magnetische Eigenschaften: Relative Permeabilität < bis > bei Raumtemperatur Quelle: Vorlesung Herstellwege ausgewählter Produktgruppen, LfM, 2006 und Werkstoffkunde Stahl, RWTH Aachen, 2004

24 Stahl und Ästhetik

26 Entwicklung hochfester Stähle seit 1975 Quelle: Ameling, D.: IISI-41, Berlin, Oktober 2007

27 IF-Stähle Bruchdehnung A 80 [%] IF-Stähle ( Interstitial Free ): Durch extreme Absenkung von N und C sowie Abbindung z.b.: mit Ti wird ein Wandern dieser Atome im Gitter verhindert und eine besonders gute Umformbarkeit erzielt Zugfestigkeit R m [MPa] Quelle: Vorlesungsunterlagen zu Herstellungswege ausgewählter Produktgruppen, Lehrstuhl für Metallurgie, 2006 und Kroos et al.

28 Bake Hardening Stähle Bruchdehnung A 80 [%] Bake Hardening Stähle: Die Stähle sind gut verformbar und werden erst im fertigen Bauteil beim Lackeinbrennen hochfest Zugfestigkeit R m [MPa] Quelle: Vorlesungsunterlagen zu Herstellungswege ausgewählter Produktgruppen, Lehrstuhl für Metallurgie, 2006 und Kroos et al.

29 TRIP - Stähle Bruchdehnung A 80 [%] TRIP-Stähle ( TRansformation Induced Plasticity ): Die Stähle werden mit metastabilem Austenit geliefert. Beim Umformen durch den Kunden werden sie hochfest (Austenit klappt in Martensit um) Zugfestigkeit R m [MPa] Quelle: Vorlesungsunterlagen zu Herstellungswege ausgewählter Produktgruppen, Lehrstuhl für Metallurgie, 2006 und Kroos et al.

30 Martensitische Stähle Bruchdehnung A 80 [%] Martensitische Stähle: höchstfeste Stähle, welche einer Warmumformung bedürfen Zugfestigkeit R m [MPa] Quelle: Vorlesungsunterlagen zu Herstellungswege ausgewählter Produktgruppen, Lehrstuhl für Metallurgie, 2006 und Kroos et al.

31 Einsatz unterschiedlicher Stähle im Automobilbau Quelle: G. H. Deinzer, Adam Opel AG 2003

32 Automobilleichtbau: Tailored Blanks Einsatz von Platinen (Tailored Blanks) für die Fertigung von komplexen Teilen im Automobilbau (Seitenwand eines Jeep Cherokee) Quelle: voestalpine Europlatinen

33 Werkstoffveredelung - Beschichtungstechnik Quelle: J. Faderl: voestalpine Stahl: Gastvorlesung über Beschichtungstechnik, 2007

34 Herstellung von Leichtbaustählen Gewichtsersparnis durch Einsatz moderner Stähle Der Eiffelturm wurde in den Jahren für die Weltausstellung in Paris gebaut. Er war damals das höchste Gebäude der Welt. Er hat eine Höhe von 300 m und die Stahlkonstruktion wiegt Tonnen. Der Stahl wurde damals im sogenannten Puddelverfahren hergestellt. Durch mehr als 100 Jahre Werkstoff- und Prozessentwicklung stehen uns heute Stähle zur Verfügung mit denen wir den Eiffelturm wesentlich leichter bauen könnten. Wie schwer wäre der Eiffelturm, wenn er mit modernen Stählen in gleicher Größe neu errichtet werden würde? Antwort: ca. 1/3 des ursprünglichen Gewichts, also etwas Tonnen.

36 Herstellung von Leichtbaustählen Bruchdehnung A 80 [%] Im Regelfall: je größer die Festigkeit, desto schlechter die Verformbarkeit (Zähigkeit), Ausnahme austenitische Stähle Hochlegierte TRIP/TWIP Stähle (Warmgewalzt) Austenitische korrosionsbeständige Stähle Hochlegierte Stickstoffaustenite Zugfestigkeit R m [MPa] Quelle: G. Gigacher: Herstellung und Vergießbarkeit hochfester Stähle mit gutem Umformvermögen, Lehrstuhl für Metallurgie, 2006

37 Herstellung von Leichtbaustählen Der TWIP (Twinning Induced Plasticity) - Effekt Zusammensetzung typischer TWIP-Stähle % Mn, 0 6 % Si, 0 6 % Al Quelle: G. Gigacher: Herstellung und Vergießbarkeit hochfester Stähle mit gutem Umformvermögen, Lehrstuhl für Metallurgie, 2006

38 Die Verformbarkeit von TWIP-Stählen Herstellung von Leichtbaustählen Quelle: G. Gigacher: Herstellung und Vergießbarkeit hochfester Stähle mit gutem Umformvermögen, Lehrstuhl für Metallurgie, 2006

40 Schienenstähle Bruchdehnung A 80 [%] Hochlegierte TRIP/TWIP Stähle (Warmgewalzt) Austenitische korrosionsbeständige Stähle Hochlegierte Stickstoffaustenite Schienenstähle Zugfestigkeit R m [MPa]

41 Schienenstähle Anforderungen an Schienen: Verschleißwiderstand Ermüdungsfestigkeit Sprödbruchsicherheit Risszähigkeit Schweißeignung... Section: AREA136 Quelle: Herstellwege ausgewählter Produktgruppen, LfM, 2007

42 HSH (Schienenkopfhärtung) Quelle: voestalpine Bahnsysteme

43 Transport von 120 m langen Schienen Quelle: voestalpine Bahnsysteme

45 Werkzeugstähle Bruchdehnung A 80 [%] Hochlegierte TRIP/TWIP Stähle (Warmgewalzt) Austenitische korrosionsbeständige Stähle Hochlegierte Stickstoffaustenite Schienenstähle Werkzeugstähle Zugfestigkeit R m [MPa]