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Johannes Frank
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1 Schneller - stärker - leichter Innovativer, höchstfester Edelstahl für Hochleistungsmaschinen und Leichtbau 1

2 Inhalt der Präsentation Böhler Edelstahl GmbH & Co KG. im Überblick Werkstoffe für Hochleistungsmaschinen und Leichtbau Anwendungsgebiete, Definition und Vergleich von Eigenschaften Anforderungsorientierte Werkstoffoptimierung für Hochleistungsmaschinen und Leichtbau Böhler W460 VMR höchstfest - hochrein schadenstolerant Zusammenfassung - Schlussfolgerung 2

Schnellarbeitsstahl Werkzeugstahl Andere

Schnellarbeitsstählen, Werkzeugstählen und

Sonderwerkstoffe für die Luftfahrt, Energiemaschinen,

3 Böhler Edelstahl GmbH & Co KG. im Überblick Ein Unternehmen der voestalpine Gruppe Schnellarbeitsstahl Werkzeugstahl Andere Sonderwerkstoffe Weltweit bedeutender Anbieter von Schnellarbeitsstählen, Werkzeugstählen und Sonderwerkstoffen Konzentration auf Werkstofflösungen für höchste Ansprüche z.b. im Werkzeug- und Formenbau und speziell im Fokus Sonderwerkstoffe für die Luftfahrt, Energiemaschinen, Öl- und Gas Industrie und den Rennsport Produktion & Produkte ca. 250 Böhler Stahl Marken Gesamte Fertigungskette vollständig ausgestattet mit vielfältigen, modernsten Aggregaten zur Stahlherstellung und verarbeitung Alles aus einer Hand 3

mit Lager und WBH) Internationales Vertriebs- und Servicenetz garantiert weltweite Verfügbarkeit der

4 Böhler Edelstahl GmbH & Co KG. im Überblick Ein Unternehmen der voestalpine Gruppe 60 Vertriebsgesellschaften in 50 Ländern (tw. mit Lager und WBH) Internationales Vertriebs- und Servicenetz garantiert weltweite Verfügbarkeit der BÖHLER Produkte BÖHLER Vertriebsgesellschaften Händler. in der Schweiz. BÖHLER-UDDEHOLM SCHWEIZ AG Postfach / Hertistrasse 15 CH-8304 Wallisellen Tel vk@edelstahl-schweiz.ch 4

5 Inhalt der Präsentation Böhler Edelstahl GmbH & Co KG. im Überblick Werkstoffe für Hochleistungsmaschinen und Leichtbau Anwendungsgebiete, Definition und Vergleich von Eigenschaften Anforderungsorientierte Werkstoffoptimierung für Hochleistungsmaschinen und Leichtbau Böhler W460 VMR höchstfest - hochrein schadenstolerant Zusammenfassung - Schlussfolgerung 5

Schneller - stärker- leichter Anforderungen: Höhere Belastungen der Komponenten und Bauteile Hohe Sicherheit gegen Werkstoffversagen Wirtschaftlichkeit Kriterien

6 Schneller - stärker- leichter Anforderungen: Höhere Belastungen der Komponenten und Bauteile Hohe Sicherheit gegen Werkstoffversagen Wirtschaftlichkeit Kriterien für die Werkstoffauswahl: Schneller Werkstoffermüdung Dauerfestigkeit Stärker Leichter Werkstofffestigkeit / Zähigkeit Bruchsicherheit Festigkeit / Dichte Reißlänge 6

7 Festigkeits Dichte Verhältnis ( Reißlänge ) Ziel: Bauteile mit hoher Tragfähigkeit mit geringstmöglichem Querschnitt (Raumbedarf) und niedrigem Gewicht Werkstoffe mit hohem Festigkeits / Dichte Verhältnis d.h. großer Reißlänge Die Reißlänge von Stahl erreicht das Niveau der höchstfesten Leichtmetall- Legierungen (Al, Mg, Ti, Be, ) etwa bei Zugfestigkeiten über 1600 MPa Werkstoff Aluminiumlegierung Magnesium- Legierung Titan- Legierung Höchstfester Stahl CFK Typ. Laminat (0 /90 ) Typische Werte Festigkeit (MPa)/ Dichte(g/cm 3 ) 600 / 2,7 275 / 1, / 4, / 8, / 1,58 Spez. Festigkeit R m /ϒ*g (km) Unumstrittenes Anwendungspotenzial für höchstfeste Stähle im Leichtbau z.b. Luft- und Raumfahrt, Rennsport, Kerntechnik,.. 7

8 Höchstfeste Stähle übliche Anwendungsgebiete Luft- und Raumfahrt, Rennsport, Hochleistungsmaschinenbau 8

9 Höchstfeste Stähle - Eigenschaftsvergleich Stahlgruppe (typ. Werkstoffe) Niedrig angelassene Vergütungs-stähle (niedriglegierter Ni Cr (Si)-Stahl) 300 M V132 Typ: 0,4C-1,8Ni-1,7Si-0,8Cr-0,4Mo-0,07V Sekundärhärtende Vergütungsstähle (Typ-5%- CrMoV- Warmarbeitsstahl) W301 Typ: X41CrMoV 5-1 Maraging Stähle (C-freie NiCoMo - Stähle, ausscheidungsgehärtet ) 18Ni 250 Typ: X2 NiCoMo V721 Vorteile Legierungspreis Rissbruchzähigkeit Gute Kombination von Eigenschaften Anwendungs- und Optimierungspotenzial! Vorteile Legierungspreis Dauerfestigkeit (gut beeinflussbar) Temp. /Anlassbeständigkeit Eigenspannungszustand Beschichtbarkeit Vorteile Rissbruchzähigkeit Festigkeit Maßänderung, Verzug Eigenspannungszustand Schweißbarkeit Beschichtbarkeit Einfache WBH Nachteile Festigkeit, Dauerfestigkeit Temp. -/Anlassbeständigkeit Eigenspannungszustand Beschichtbarkeit Maßänderung, Verzug Schweißbarkeit Nachteile Festigkeit Rissbruchzähigkeit Schweißbarkeit Nachteile Legierungspreis Dauerfestigkeit Temp.-/Anlassbeständigkeit 9

10 Inhalt der Präsentation Böhler Edelstahl GmbH & Co KG. im Überblick Werkstoffe für Hochleistungsmaschinen und Leichtbau Anwendungsgebiete, Definition und Vergleich von Eigenschaften Anforderungsorientierte Werkstoffoptimierung für Hochleistungsmaschinen und Leichtbau Böhler W460 VMR höchstfest - hochrein schadenstolerant Zusammenfassung - Schlussfolgerung 10

11 Rissbruchzähigkeit KIc (N/mm3/2) Bruchsicherheit ( Leben mit Rissen und Defekten ) Bestimmt durch Eigenschaftsmerkmale rissbehafteter Materialien Stähle mit Zugfestigkeiten von über 1600 bis ca MPa weisen Schadens- Toleranzgrenzen auf, die für die meisten Leichtbauanwendungen ausreichend sind Kriterium: Fließen vor Bruch! Niedrig angelassene Vergütungsstähle Cr-freie martensitaushärtende Stähle (Maraging- Stähle) Vergütete 5%CrMov-Stähle, (+ eigene Messungen) Dehngrenze Rp0,2% (MPa) Angestrebte Optimierung! 11

Einschlüsse (mikro/makro) Elastizitätsgrenze (MPa) Grundvoraussetzung für hohe Dauerfestigkeit:

12 Dauerfestigkeit (MPa) Dauerfestigkeit Bestimmt durch Festigkeit, Kerbintensität und Defektgröße Kleine Defekte Große Defekte Mögliche Defekte im Stahl: Carbide (Carbidcluster) Nichtmetallische Einschlüsse (mikro/makro) Elastizitätsgrenze (MPa) Grundvoraussetzung für hohe Dauerfestigkeit: Höchstfeste und ultrahochreine Stähle Spannungsoptimierte (kerbarme) Konstruktion und Bauteilausführung 12

13 Böhler Edelstahl GmbH & Co KG Anlagen - Stofffluss Ultrahochreine Stähle durch Umschmelzen- und Mehrfachumschmelzen Böhler Edelstahl GmbH & Co KG verfügt über umfassende Anlagenstruktur 13

Forschungsarbeit bei Böhler Edelstahl GmbH & Co KG

14 Einfluss des Herstellverfahrens auf den Reinheitsgrad von höchstfesten Stählen Ergebnisse einer internen Forschungsarbeit bei Böhler Edelstahl GmbH & Co KG Optimale Variante daraus wurde zur Serienreife entwickelt 14

5%-CrMoV- Vergütungsstahl höchstfest, mehrfach-umgeschmolzen Werkstoff Typische Werte

15 BÖHLER W460 VMR optimierter ultrahochfester Stahl Fortschrittliche Werkstofflösung für Leichtbau und Hochleistungsmaschinen Optimierter, hochreiner, sekundärhärtender 5%-CrMoV- Vergütungsstahl höchstfest, mehrfach-umgeschmolzen Werkstoff Typische Werte Festigkeit (MPa)/ Dichte(g/cm 3 ) Spez. Festigkeit Böhler W460 VMR 2250 / 7,81 R m /ϒ*g (km) 28,8 15

16 BÖHLER W460 VMR optimierter ultrahochfester Stahl Vergleich der Rissbruchzähigkeit und 0,2%-Dehngrenze Niedrig angelassene Vergütungsstähle Cr-freie martensitaushärtende Stähle (Maraging- Stähle) Vergütete 5%CrMov-Stähle, (+eigene Messungen) 16

umgeschmolzen) 4-Punkt Biegewechselversuch (glatte Proben) Vergleich mit Stahl gleicher chemischer Zusammensetzung

17 Spannungsamplitude [MPa] BÖHLER W460 VMR optimierter ultrahochfester Stahl Vergleich der Ermüdungsfestigkeit (gekerbt und ungekerbt) Vergleich mit hochfestem, niedrig angelassenem Vergütungsstahl 300M Si (im Vakuum er- und umgeschmolzen) 4-Punkt Biegewechselversuch (glatte Proben) Vergleich mit Stahl gleicher chemischer Zusammensetzung nicht optimierter Reinheitsgrad Umlaufbiegeversuch (R = -1, gekerbte Proben K t = 2) Anzahl der Lastwechsel N (log.) 17

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Steigende Anforderungen im Hochleistungs-Maschinenbau und im Leichtbau erfordern Werkstoffe mit höchster

Übliche höchstfeste, umgeschmolzene Stähle erfüllen diese Anforderungen gut, allerdings mit einigen gruppenspezifischen Nachteilen, z.b. in Bezug auf Beschichtbarkeit, Versprödungsempfindlichkeit oder Wirtschaftlichkeit.

Kombination moderner Herstellungsverfahren wurde ein innovativer hochfester Stahl Böhler W460 VMR entwickelt.

18 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Steigende Anforderungen im Hochleistungs-Maschinenbau und im Leichtbau erfordern Werkstoffe mit höchster Dauerfestigkeit, Bruchsicherheit und hohem Festigkeits / Dichte-Verhältnis. Übliche höchstfeste, umgeschmolzene Stähle erfüllen diese Anforderungen gut, allerdings mit einigen gruppenspezifischen Nachteilen, z.b. in Bezug auf Beschichtbarkeit, Versprödungsempfindlichkeit oder Wirtschaftlichkeit. Durch die Anwendung einer speziellen Zusammensetzung eines, von Böhler entwickelten sekundärhärtenden 5%-Cr-Mo-V Warmarbeitsstahles und einer besonderen Kombination moderner Herstellungsverfahren wurde ein innovativer hochfester Stahl Böhler W460 VMR entwickelt. Dieser Stahl vereint die positiven Eigenschaftsmerkmale der üblichen höchstfesten Stähle und eröffnet neue Möglichkeiten im Hochleistungsmaschinenbau und Leichtbau z.b. im Rennsport und hat auch Anwendungspotenzial in der Luftfahrt. 18

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1.2343 Warmarbeitsstahl DIN-BEZEICHNUNG X38CrMoV5-1 WERKSTOFFEIGENSCHAFTEN* Gute Warmfestigkeit und Zähigkeit Gute Anlassbeständigkeit CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG Richtwerte in % C Si Mn Cr Mo V 0,38 1,00