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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlformteils
mit einem überwiegend ferritischbainitischen Gefüge.
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Um
die sich im modernen Karosseriebau bestehende Forderung nach geringem
Gewicht bei gleichzeitig maximaler Festigkeit und Schutzwirkung
zu erfüllen, werden heutzutage in solchen Bereichen der
Karosserie, die im Fall eines Crashs besonders hohen Belastungen
ausgesetzt sein können, warmpressgeformte Bauteile eingesetzt,
die aus hochfesten Stählen erzeugt sind. Als Beispiele
für solche Stahlformteile sind die A- und B-Säule,
die Stoßfänger und Türaufprallträger
eines Personenkraftfahrzeugs zu nennen.
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Beim
Warmpresshärten von Stahlplatinen, die von kalt- oder warmgewalztem
Stahlband abgeteilt sind, werden die betreffenden Blechzuschnitte
auf eine in der Regel oberhalb der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen
Stahls liegende Verformungstemperatur erwärmt und im erwärmten
Zustand in das Werkzeug einer Umformpresse gelegt. Im Zuge der anschließend
durchgeführten Umformung erfährt der Blechzuschnitt
bzw. das aus ihm geformte Bauteil durch den Kontakt mit dem kühlen
Werkzeug eine schnelle Abkühlung, durch die sich im Bauteil
Härtegefüge ergibt. Dabei kann es ausreichend
sein, wenn das Bauteil ohne aktive Kühlung alleine durch
den Kontakt mit dem Werkzeug abkühlt. Unterstützt
werden kann eine schnelle Abkühlung jedoch auch dadurch,
dass das Werkzeug selbst aktiv gekühlt wird.
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Wie
im Artikel
"Potenziale für den Karosserieleichtbau",
erschienen in der Messezeitung der ThyssenKrupp Automotiv AG zur
61. Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt, 15.–25.
Sept. 2005, berichtet, wird das Warmpresshärten
in der Praxis insbesondere für die Herstellung von hochfesten
Karosseriebauteilen aus borlegierten Stählen angewendet.
Ein typisches Beispiel für einen solchen Stahl ist der
unter der Bezeichnung 22MnB5 bekannte Stahl, der im Stahlschlüssel
2004 unter der Werkstoffnummer 1.5528 zu finden ist.
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Ein
mit dem Stahl 22MnB5 vergleichbarer Stahl ist aus der
JP 2006104526 A bekannt.
Dieser bekannte Stahl enthält neben Fe und unvermeidbaren
Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,05–0,55% C, max. 2% Si, 0,1–3%
Mn, max. 0,1% P und max. 0,03% S. Zur Härtesteigerung können
dem Stahl zusätzlich Gehalte von 0,0002–0,005%
B und 0,001–0,1% Ti zugegeben werden. Der jeweilige Ti-Gehalt
dient dabei zum Abbinden des in dem Stahl vorhandenen Stickstoffs.
Auf diese Weise kann das im Stahl vorhandene Bor seine festigkeitssteigernde
Wirkung möglichst vollständig entfalten.
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Gemäß der
JP 2006104526 A werden
aus dem derart zusammengesetzten Stahl zunächst Bleche
gefertigt, die dann auf eine oberhalb der Ac
3-Temperatur,
typischerweise im Bereich von 850–950°C, liegende Temperatur
vorgewärmt werden. Bei der anschließend im Presswerkzeug
erfolgenden, von diesem Temperaturbereich ausgehenden schnellen
Abkühlung bildet sich im aus dem jeweiligen Blechzuschnitt
pressgeformten Bauteil das die angestrebten hohen Festigkeiten gewährleistende
martensitische Gefüge. Günstig wirkt sich dabei
aus, dass sich die auf das genannte Temperaturniveau erwärmten
Blechteile bei relativ geringen Umformkräften zu komplex
geformten Bauteilen umformen lassen. Dies gilt insbesondere auch
für solche Blechteile, die aus hochfestem Stahl gefertigt
und mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen sind.
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Die
auf die voranstehend erläuterte Weise aus borlegierten
Stählen erzeugten Bauteile erreichen Festigkeiten von über
1.500 MPa. Allerdings hat das dazu benötigte vollständig
martensitische Gefüge der Bauteile zur Folge, dass die
Bauteile eine für viele Anwendungen unzureichende Restbruchdehnung
von 5–6% besitzen. Die relativ geringe Restbruchdehnung
geht mit einer geringen Zähigkeit einher. Diese führt
bei Anwendungen, bei denen es auf ein gutes Verformungsverhalten
im Falle eines Crashs ankommt, dazu, dass aus borlegierten Stählen
in der bekannten Weise hergestellte Bauteile, diese Anforderungen
häufig nicht mehr erfüllen. Dies gilt insbesondere
dann, wenn es sich bei den herzustellenden Bauteilen um Teile für
eine Automobilkarosserie handelt.
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In
der
DE 10 2005
054 847 B3 ist vorgeschlagen worden, durch eine nachgeschaltete
Wärmebehandlung das Crashverhalten von durch Warmpresshärten
erzeugten Stahlbauteilen zu verbessern, die neben Eisen und unvermeidbaren
Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,18–0,3% C, 0,1–0,7%
Si, 1,0–2,50% Mn, max. 0,025% P, 0,1–0,8% Cr,
0,1–0,5% Mo, max. 0,01% S, 0,02–0,05% Ti, 0,002–0,005%
B und 0,01–0,06% Al enthalten. Im Zuge der Wärmebehandlung
werden die warmpressgehärteten Bauteile bei 320–400°C
gehalten. Abgesehen davon, dass ein solcher Wärmebehandlungsschritt
nur mit großem Aufwand in die für die Herstellung
von warmpressgehärteten Stahlbauteilen etablierte Prozesskette
eingegliedert werden kann, haben praktische Untersuchungen gezeigt,
dass die Bruchdehnung von auf diese Weise wärmebehandelten
Bauteilen sich deutlich verschlechtert.
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Eine
andere Möglichkeit der Herstellung eines gehärteten
metallischen Bauteils ist aus der
DE 102 08 216 C1 bekannt. Bei diesem bekannten
Verfahren wird eine Platine oder ein vorgeformtes Formbauteil, die
jeweils aus einem Stahl der voranstehend angegebenen Art bestehen,
in einer Erwärmungseinrichtung auf eine Austenitisierungstemperatur
erwärmt und anschließend über einen Transportweg
einem Härteprozess zugeführt. Während
des Transports werden Teilbereiche erster Art der Platine oder des
Formbauteils, die im Endbauteil höhere Duktilitätseigenschaften
aufweisen sollen, von einer vorbestimmten Abkühl-Starttemperatur
abgeschreckt, die oberhalb der γ-α-Umwandlungstemperatur
liegt. Dieses Abschrecken wird beendet, wenn eine vorgegebene Abkühl-Stopptemperatur
erreicht ist, und zwar bevor eine Umwandlung in Ferrit und/oder
Perlit stattgefunden hat oder nachdem erst eine geringe Umwandlung in
Ferrit und/oder Perlit stattgefunden hat. Anschließend
wird die Platine oder das jeweilige Formteil isotherm zur Umwandlung
des Austenits in Ferrit und/oder Perlit gehalten. Währenddessen
wird in den Bereichen zweiter Art, die im Endbauteil im Verhältnis geringere
Duktilitätseigenschaften aufweisen sollen, die Härtetemperatur
gerade so hoch gehalten, dass eine ausreichende Martensitbildung
in den Bereichen zweiter Art während eines Härteprozesses
stattfinden kann. Abschließend wird dann die Abkühlung
durchgeführt. Dazu wird das erhaltene Formteil in einem
separaten Arbeitsgang in ein Abschreckbecken oder desgleichen getaucht,
um das gewünschte martensitische Härtegefüge
auszubilden. Auch diese Verfahrensweise bedingt eine Prozessführung,
die nur mit großem Aufwand in einen modernen Produktionsbetrieb
eingegliedert werden kann. Darüber hinaus besteht auch
bei den nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Bauteilen
das Problem, dass sie zwar eine hohe Festigkeit besitzen, gleichzeitig
aber so spröde sind, dass sie den in der Praxis sich stellenden
Anforderungen an ihre Verformbarkeit nicht gerecht werden.
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Vor
dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der
Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben,
mit dem es möglich ist, auf prozesstechnisch einfache Weise
Stahlformteile herzustellen, bei denen eine hohe Festigkeit mit
einer guten Restbruchdehnung kombiniert ist.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das in Anspruch
1 angegebene Verfahren gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen
dieses Verfahrens sind in den auf Anspruch 1 rückbezogenen
Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der
Erfindung wird ein Stahlformteil mit einem überwiegend
ferritisch-bainitischen Gefüge hergestellt.
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Dazu
wird ein Vormaterial in Form einer Stahlplatine oder eines vorgeformtes
Stahlteils bereitgestellt. Wird eine bis dahin noch unverformte
Stahlplatine als Vormaterial verarbeitet, wird der Gesamtprozess
als ”einstufiges” Verfahren bezeichnet. Wird dagegen
ein vorgeformtes Stahlteil verarbeitet, spricht man von einem zweistufigen
Prozess, wobei in der ersten Stufe eine bis dahin noch unverformte
Platine so verformt wird, dass das dabei erhaltene Stahlbauteil
seine Endform noch nicht erreicht hat.
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Das
jeweilige Vormaterial besteht erfindungsgemäß aus
einem Stahl an sich bekannter Zusammensetzung, der neben Eisen und
unvermeidbaren herstellungsbedingten Verunreinigungen (in Gew.-%)
C: 0,02–0,6%, Mn: 0,5–2,0%, Al: 0,01–0,06%,
Si: bis zu 0,4%, Cr: bis zu 1,2%, P: bis zu 0,035%, S: bis zu 0,035% sowie
optional eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe ”Ti,
B, Mo, Ni, Cu, N” enthält, wobei – sofern
jeweils vorhanden – Ti in einem Gehalt von bis zu 0,05%,
Cu in einem Gehalt von bis zu 0,01%, B in Gehalten von 0,0008–0,005%,
Mo in Gehalten von bis zu 0,3%, Ni in Gehalten von bis zu 0,4%,
N in Gehalten von bis zu 0,01%, enthalten sind. Besondere Bedeutung
im Hinblick auf die Festigkeit erfindungsgemäß erzeugte
Bauteile kommt dabei dem jeweiligen C-Gehalt zu, wogegen insbesondere
die Gehalte an Si, Mn, Cr und B so eingestellt sind, dass die Bildung
des Bainits gefördert und die Entstehung größerer
Martensitmengen im Gefüge des Bauteils vermieden werden.
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Das
derart zusammengesetzte Vormaterial (Stahlplatine bzw. vorgeformtes
Stahlteil) wird bei einer zwischen der Ad- und der Ac3-Temperatur
des Stahls liegenden Erwärmungstemperatur derart durcherwärmt, dass
eine unvollständige Austenitisierung des Vormaterials eintritt.
Am Ende der Austenitisierungsphase besteht das Gefüge des
Vormaterials dementsprechend aus Ferrit und Austenit.
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Anschließend
wird das Vormaterial in ein Pressformwerkzeug eingelegt und darin
zu dem Stahlformteil geformt. Das Presshärten erfolgt dabei
in einem Temperaturbereich, in dem sich das Gefüge des
Vormaterials im Zweiphasengebiet aus Ferrit und Austenit befindet.
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Wesentlich
für die Erfindung ist nun, dass das Stahlformteil auf eine
Bainitbildungstemperatur gebracht wird, die oberhalb der Martensitstarttemperatur,
jedoch unterhalb der Perlitumwandlungstemperatur des Stahls liegt,
aus dem die Stahlplatine oder das vorgeformte Stahlteil jeweils
hergestellt sind.
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Ebenso
wichtig ist, dass, sobald diese Bainitbildungstemperatur erreicht
ist, das Stahlformteil erfindungsgemäß über
eine Bainitisierungszeit im Wesentlichen isotherm auf der Bainitbildungstemperatur
gehalten wird, bis sich in dem Stahlformteil ein Gefüge
eingestellt hat, das zum überwiegenden Teil aus Ferrit und Bainit
besteht. Die jeweils einzustellende Bainitisierungstemperatur richtet
sich nach der Bainitumwandlungstemperatur, welche jeweils nach der
chemischen Zusammensetzung des angereicherten Austenits durch die Martensitstarttemperatur
nach unten und Perlitumwandlungstemperatur nach oben abgegrenzt
ist.
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Die
Abkühlgeschwindigkeit beim Presshärten wird von
der Austenitisierungs- und Werkzeugtemperatur maßgeblich
beeinflusst. Diese muss so schnell sein, dass die Platine umwandlungsfrei
auf die Bainitumwandlungstemperatur abgekühlt und bei dieser
Temperatur konstant gehalten wird. Durch diese Vorgehensweise wird
erreicht, dass am Ende der Bainitisierungszeit in dem Stahlformteil
ein Gefüge vorliegt, das neben den ferritischen und bainitischen
Gefügeanteilen untergeordnete Mengen an Restaustenit und
allenfalls unterhalb von 5% liegende Gehalte an Martensit aufweist.
Die vom im Wesentlichen vom Kohlenstoffgehalt bestimmten Restaustenitgehalte
im erhaltenen Bauteil können bis zu 10% betragen.
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Nach
dem Ende der Bainitisierungszeit wird das Stahlformteil auf Raumtemperatur
abgekühlt.
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Gemäß der
Erfindung wird also die Temperaturführung im Hinblick auf
den Austenitisierungsprozess und das anschließende Presshärten
so gesteuert, dass sich ein Mischgefüge aus Ferrit, Bainit
und einem Anteil von Restaustenit im Bauteil einstellt. Das erfindungsgemäße
Verfahren liefert somit ein Stahlbauteil, dessen Gefüge
durch eine ferritisch-bainitische Mikrostruktur gekennzeichnet ist.
Diese bainitische Mikrostruktur verleiht einem erfindungsgemäß erzeugten
Bauteil verbesserte Verformungseigenschaften, insbesondere eine verbesserte
Restbruchdehnung. Damit einhergehend weisen erfindungsgemäß erzeugte
Stahlformteile ein verbessertes Crashverhalten auf, ohne dass es
dazu einer gesonderten Anlassbehandlung bedarf, da Bainit als eine
Art von angelassenem Martensit angesehen werden kann.
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Darüber
hinaus erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren,
das Stahlbauteil langsamer abzukühlen als bei den konventionellen
Verfahren, bei denen die Abkühlung im Werkzeug mit dem
Ziel erfolgt, martensitisches Härtegefüge zu erzeugen.
Daher ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren
die Gefahr der Entstehung von Bauteilverzug minimiert und die erfindungsgemäß erzeugten
Bauteile zeichnen sich durch eine besonders hohe Maßhaltigkeit
aus. Um eine langsame Abkühlung des Stahlbauteils sicherzustellen,
kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens das Presswerkzeug auch gezielt erwärmt werden.
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Neben
den voranstehend genannten Vorteilen bestehen weitere Vorteile der
Erfindung in der durch die vergleichbar niedrigen Ofentemperatur
bei der Austenitisierung möglichen Energieeinsparungen,
in der reduzierten thermischen Belastung der gegebenenfalls vorhandenen
Oberflächenbeschichtung, in dem durch die abgesenkte Ofentemperatur
bei der Austenitisierung möglichen Einsatz von Zn-beschichtetem
Vormaterial sowie darin, dass es bei erfindungsgemäßer
Vorgehensweise möglich ist, durch Variation der Austenitisierungs- und
Werkzeugtemperatur die mechanischen Kennwerte nach der Bauteilforderung
variabel einzustellen. Schließlich zeichnen sich erfindungsgemäß erzeugte
Stahlformteile auch durch ein hohes Bake-Hardening Potenzial nach
dem Presshärten aus.
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Um
die mit der Erfindung erzielten vorteilhaften Eigenschaften besonders
sicher nutzen zu können, sollten die Ferrit- und Bainitanteile
im Gefüge des Stahlformteils am Ende der Bainitisierungszeit
in Summe mindestens 90% betragen, wobei der Ferrit- und der Bainitanteil
jeweils mindestens 30% betragen sollten.
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Da
die Martensitbildung erfindungsgemäß möglichst
vollständig verhindert wird, ist es grundsätzlich vorteilhaft,
wenn am Ende der Bainitisierungszeit der Martensitanteil des Stahlformteils
weniger als 1% beträgt, insbesondere nur auf Spuren beschränkt
ist.
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Von
der Legierung des Stahls, aus dem das erfindungsgemäß zu
verarbeitende Vormaterial besteht, sind konventionelle MnB-Stähle
und Vergütungsstähle gleichermaßen umfasst.
Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besonders geeigneter Vergütungsstahl weist neben
Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) C: 0,25–0,6%,
Si: bis zu 0,4%, Mn: 0,5–2,0%, Cr: bis zu 0,6%, P: bis
zu 0,02%, S: bis zu 0,01%, Al: 0,01–0,06%, Ti: bis zu 0,05%,
Cu: bis zu 0,1% und B: 0,008–0,005% auf. Für das erfindungsgemäße
Verfahren in Frage kommende MnB-Stähle weisen dagegen C:
0,25–0,6%, Si: bis zu 0,4%, Mn: 0,5–2,0%, Cr:
bis zu 1,2%, P: bis zu 0,035%, S: bis zu 0,035%, Mo: bis zu 0,3%,
Ni: bis zu 0,4% und Al: 0,01–0,06% auf.
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Typischerweise
liegt die Austenitisierungstemperatur der Stähle, aus denen
erfindungsgemäß verarbeitetes Vormaterial hergestellt
ist, im Bereich von 750–810°C. Die für
das Durcherwärmen bei der Erwärmungstemperatur
vorgesehene Erwärmungszeit liegt dabei üblicherweise
im Bereich von 6–15 Minuten.
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Insbesondere
bei der Herstellung von Stahlformteilen, die zum Bau von Karosserien
für Fahrzeuge, insbesondere Automobile, bestimmt sind,
ist es günstig, wenn das Vormaterial mit einem vor Korrosion
schützenden metallischen Überzug versehen ist.
Dieser Überzug schützt das jeweilige Vormaterial
(Stahlplatine, vorgeformtes Stahlteil) auch beim Transport von dem
Ofen, in dem es auf die Austenitisierungstemperatur vorerwärmt
wird, zum Pressformwerkzeug. Die Korrosionsschutzbeschichtung kann
dabei so ausgelegt werden, dass sie eine Oxidation des heißen
Stahlsubstrats mit dem Umgebungssauerstoff auch bei einem Transport an
Luft schützt.
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Eine
besonders praxisgerechte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pressformgebung
und die Bainitisierung des im Zuge der Pressformgebung erzeugten Stahlbauteils
im Pressformwerkzeug erfolgt. Dementsprechend sieht eine besonders
vorteilhafte Variante der Erfindung vor, dass nach dem Pressformen
des Vormaterials das dann erhaltene Stahlformteil in dem Pressformwerkzeug
verbleibt und dort auf die Bainitbildungstemperatur gebracht und
für die Bainitisierungszeit gehalten wird. Dabei ist das
Pressformwerkzeug bevorzugt so temperiert, dass das Vormaterial
ausgehend von einer über der Bainitisierungstemperatur
liegenden Temperatur bereits während ihrer Pressverformung
zu dem Stahlbauteil auf die Bainitisierungstemperatur abgekühlt
werden. Die Werkzeugschließzeit des Presswerkzeugs, innerhalb
der die Formgebung, Abklühlung und Bainitisierung des Stahlformteils
erfolgt, beträgt in diesem Fall üblicherweise
5–60 Sekunden, insbesondere 20–60 Sekunden.
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Im
Fall, dass die Abkühlung auf die Bainitisierungstemperatur
und die Bainitisierung in einem Werkzeug absolviert werden, ist
die Bainitisierungszeit jeweils um die Zeitdauer kürzer
als die Werkzeugschließzeit, die benötigt wird,
um das jeweilige Vormaterial auf die Bainitisierungstemperatur zu
bringen.
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Alternativ
zu einer Bainitisierung im Pressformwerkzeug ist es auch denkbar,
nach dem Pressformen das aus dem Vormaterial pressgeformte Stahlformteil
aus der Pressform zu entnehmen und in einem separaten Arbeitsgang
auf die Bainitbildungstemperatur zu bringen und auf dieser über
die Bainitisierungszeit zu halten. Eine solche Vorgehensweise kann
angezeigt sein, wenn eine entsprechende Anlagentechnik zur Verfügung
steht. So lässt sich eine solche Vorgehensweise beispielsweise
dann anwenden, wenn zum Erwärmen auf und Halten bei der
Bainitisierungstemperatur ein Salz- oder ein Bleibad zur Verfügung
stehen, in die das Stahlbauteil nach der Pressformgebung verbracht
werden kann.
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Der
typische Bereich der Bainitisierungstemperatur, bei der die erfindungsgemäße
Baintisierung mit dem Ziel der Ausbildung eines ferritisch/bainitischen
Gefüges bevorzugt durchgeführt wird, ist nach
unten typischerweise durch Martensitstarttemperatur der jeweiligen
Stahlzusammensetzung des Vormaterials begrenzt, während
sie nach oben hin jeweils niedriger als 500°C eingestellt
werden kann, um die Perlitbildung zu vermeiden.
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Der
mit der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verbundene verfahrenstechnische Aufwand kann auch dadurch
auf ein Minimum reduziert werden, dass nach dem Ende der Bainitisierungszeit
die Abkühlung des erhaltenen Stahlformteils auf einfache
Weise an Luft durchgeführt wird.
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Für
die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eignen sich Stahlplatinen, die von einem warmgewalzten
oder kaltgewalzten Flachprodukt, wie Band oder Blech, abgeteilt
worden sind. Ebenso ist es möglich, das erfindungsgemäße
Verfahren auf ein Stahlteil anzuwenden, das in einem vorangegangenen
Arbeitsschritt vorgeformt worden ist. Letzteres bietet sich beispielsweise
dann an, wenn die Formgebung des herzustellenden Stahlbauteils so
komplex ist, dass für ihre Herstellung mehrere Formgebungsschritte
erforderlich sind.
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Aufgrund
ihres Eigenschaftsprofils eignen sich erfindungsgemäß erzeugte
Stahlbauteile besonders für eine Verwendung als crashrelevante
Teile einer Automobilkarosserie. Das erfindungsgemäße
Verfahren eignet sich dabei insbesondere für die Herstellung
von Längs- und Bodenquerträgern, die in der Praxis
ein besonders gutes Energieaufnahmevermögen aufweisen sollen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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In 1 ist
ein typischer bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens eingehaltener Verlauf der Temperatur T über
die Zeit t aufgezeichnet. Demnach wird als Vormaterial eine jeweils
zu einem Stahlbauteil zu verformende, beispielsweise mit einer vor
Korrosion schütztenden AlSi-Beschichtung versehene Stahlplatine
zunächst auf eine Austenitisierungstemperatur TA erwärmt,
die unterhalb der Ac3-Temperatur jedoch oberhalb der Ac1 Temperatur
des Stahls liegt, aus dem die Stahlplatine jeweils hergestellt ist.
Bei der dieser Austenitisierungstemperatur TA wird die Stahlplatine
für eine Zeit tA gehalten, bis die Stahlplatine vollständig
durcherwärmt ist, so dass in ihr ein aus Austenit und Ferrit
bestehendes Mischgefüge vorliegt. Der Bereich, in dem der
Stahl ein Gefüge aufweist, ist in 1 mit A
gekennzeichnet, während der Bereich des Mischgefüges
aus Ferrit und Austenit mit ”A + F” gekennzeichnet
ist.
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Nach
Ende der Austenitisierungszeit tA wird die Stahlplatine zu einem
Pressformwerkzeug transportiert. Die bis zum Schließen
des Pressformwerkzeugs benötigte Transferzeit ist in 1 mit
tT bezeichnet. Die Temperatur TW, mit der die Stahlplatine in das
Pressformwerkzeug gelangt, liegt immer noch innerhalb des Temperaturbandes
Ac3–Ac1.
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Das
Pressformwerkzeug ist mit einer Temperiereinrichtung ausgestattet,
die es auf einer konstanten Temperatur hält, die der Bainitisierungstemperatur
TB entspricht. Das aus der Stahlplatine geformte, mit dem Pressformwerkzeug
unmittelbar in Kontakt kommende Stahlformteil wird dementsprechend über
eine Abkühlzeit tK auf die Bainitisierungstemperatur TB
gekühlt. Die Bainitisierungstemperatur TB liegt dabei oberhalb
der Martensitstarttemperatur Ms, jedoch unterhalb der Perlitumwandlungstemperatur.
Das Gebiet, in dem es zur Bildung von Perlit kommt, ist in 1 mit
P gekennzeichnet. Zusätzlich ist in 1 mit F
das Gebiet, in dem reiner Ferrit vorhanden ist, und mit M das Gebiet
gekennzeichnet, in dem Martensit vorliegt.
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Sobald
die Bainitisierungstemperatur TB erreicht ist, wird das nach wie
vor in dem Pressformwerkzeug sitzende Stahlbauteil über
eine Bainitisierungszeit tB isotherm auf der Bainitisierungstemperatur
TB gehalten. Die Bainitisierungszeit tB ist dabei so bemessen, dass
an ihrem Ende das Gefüge des Stahlbauteils im Wesentlichen
vollständig bainitisch ist.
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Die
Abkühlung der Stahlplatine im temperierten Presswerkzeug
erfolgt dabei innerhalb der Abkühlzeit tK so schnell, dass
der Stahl das Zweiphasenmischgebiet A + F durchläuft und
eine Umwandlung im Martensitbereich M und Perlitbereich P verhindert
wird, wobei die Martensitbildung möglichst vollständig
vermieden wird.
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Nach
Erreichen des Endes der Bainitisierungszeit tB wird das Werkzeug
geöffnet und das Stahlbauteil an ruhender Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt. Die die Abkühlzeit tK und die Bainitisierungszeit
tB umfassende Werkzeugschließzeit tW beträgt abhängig
von der Komplexität der Formgebung des herzustellenden Stahlbauteils
und der Blechdicke der jeweils verarbeiteten Stahlplatine 5–60
Sekunden.
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Für
zwei Versuche sind aus einem Warmband von 3–4 mm Dicke
durch Kaltwalzen zwei 1,5–2 mm dicke Stahlplatine SP1,
SP2 erzeugt worden, die aus einem 27MnCrB5-2 Stahl mit der in Tabelle
1 in Gew.-% angegebenen Zusammensetzung bestanden.
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Die
erste Stahlplatine SP1 ist dann auf eine Austenitisierungstemperatur
TA von 780°C erwärmt und auf dieser Temperatur
TA für eine Austenitisierungszeit tA von 6 min gehalten
worden.
| C | Si | Mn | P | S |
| 0,294 | 0,24 | 1,13 | 0,017 | 0,002 |
| Al | N | Cr | Ti | B |
| 0,035 | 0,0038 | 0,43 | 0,033 | 0,0010 |
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen Tabelle
1
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Anschließend
ist die Stahlplatine SP1 in einer 6 bis 12 s betragenden Transferzeit
tT an Luft in ein Pressformwerkzeug transportiert worden, das auf
eine Bainitisierungstemperatur TB von 400°C aufgeheizt
und bei dieser Temperatur TB konstant gehalten worden ist. In dem Presswerkzeug
ist die Stahlplatine SP1 dann über eine Werkzeugschließzeit
tW von 40 s pressverformt worden. Die Gesamtpresszeit umfasste die
Abkühlzeit tK, in der die Stahlplatine SP1 von der Werkzeugeintrittstemperatur
TW auf die Bainitisierungstemperatur TB abgekühlt worden
ist, und die Bainitisierungszeit tB, in der sich das Bainitgefüge
in dem im Pressformwerkzeug warmpressgeformten Stahlbauteil gebildet
hat. Anschließend ist das Presswerkzeug geöffnet
worden und das Stahlbauteil an ruhender Luft auf Raumtemperatur
abgekühlt worden.
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Das
Gefüge des so erhaltenen Stahlformteils wies einen Ferritanteil
von 50%, einen Bainitanteil von 40%, einen Restaustenitanteil von
6% und einen Martensitanteil von 4% auf.
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In
dem zweiten Versuch ist die zweite Stahlplatine SP2 bei einer Austenitisierungstemperatur
TA von 800°C so durcherwärmt worden, dass auch
sie nur unvollständig austenitisiert war. Nach dieser Teilaustenitisierung
hat die zweite Stahlplatine SP2 dieselben Prozessschritte durchlaufen
wie die erste Stahlplatine SP1.
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Die
Eigenschaften der aus den Stahlplatinen SP1, SP2 in der voranstehend
beschriebenen Weise erzeugten Stahlformteile sind in Tabelle 2 angegeben.
| Platine | TA
[°C] | Rp0,2
[MPa] | Rm
[MPa] | Ag
[%] | A80
[%] |
| SP1 | 780 | 374 | 759 | 12,7 | 19,7 |
| SP2 | 800 | 464 | 802 | 11,4 | 19,0 |
Tabelle
2
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Schließlich
ist zum Vergleich eine ebenfalls aus dem 27MnCrB5-2 – Stahl
bestehende Stahlplatine in konventioneller Weise martensitisch zu
einem Stahlformteil pressformgehärtet worden. Die Restbruchdehnung A80
betrug bei dem so erhaltenen Bauteil nur ca. 6%. Nach dem erfundenen
Verfahren liegt die Restbruchdehnung A80 der gleichen Güte
dagegen ca. 19%.
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Beim
erfindungsgemäßen bainitischen Presshärten
handelt es sich somit um ein Verfahren zum Warmpresshärten,
bei dem anstelle des üblicherweise erzeugten Martensitgefüges
ein überwiegend aus Ferrit und Bainit bestehendes Gefüge
durch eine isothermische Umwandlung beim Presshärten am
jeweils pressgeformten Stahlbauteil eingestellt wird. Das erhaltene
ferritisch/bainitische Gefüge weist im Vergleich zu Martensit
eine verbesserte Restbruchdehnung bei hoher Festigkeit auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006104526
A [0005, 0006]
- - DE 102005054847 B3 [0008]
- - DE 10208216 C1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Potenziale
für den Karosserieleichtbau”, erschienen in der
Messezeitung der ThyssenKrupp Automotiv AG zur 61. Internationalen
Automobilausstellung in Frankfurt, 15.–25. Sept. 2005 [0004]