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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlformteils durch Pressformhärten.
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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 Werkstoffhummer 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, die typischerweise im Bereich von 1.500 MPa liegen. Gleichzeitig liegt bei den in der bekannten Weise erzeugten Bauteilen in Folge des martensitischen Gefüges eine Restbruchdehnung A80 auf, die typischerweise im Bereich von 5–6 besitzen.
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Um den heute geltenden Anforderungen an den Leichtbau und den damit einhergehenden Forderungen nach immer höheren Bauteilfestigkeiten bei gleichzeitig gleichbleibenden oder reduzierten Blechstärken gerecht werden zu können, müssen Stahlformteile zur Verfügung gestellt werden, die bei unveränderter Restbruchdehnung noch höhere Festigkeiten aufweisen.
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Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, auf prozesstechnisch einfache Weise Stahlformteile herzustellen, deren Zugfestigkeit gegenüber den in der bekannten Weise erzeugten Bauteilen weiter gesteigert ist. Darüber hinaus sollte ein Stahlformteil mit einem entsprechenden Eigenschaftsprofil geschaffen werden.
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In Bezug auf das Verfahren ist diese Aufgabe 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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Die Lösung der voranstehend angegebenen Aufgabe in Bezug auf das Stahlformteil besteht darin, dass ein solches Stahlformteil entsprechend Anspruch 14 ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Stahlformteils sind in den auf Anspruch 14 rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung wird durch Pressformhärten ein Stahlformteil mit einem im Wesentlichen vollständig martensitischem Gefüge erzeugt, das eine Zugfestigkeit von mindestens 1.800 MPa besitzt.
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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, der neben Eisen und unvermeidbaren herstellungsbedingten Verunreinigungen (in Gew.-%) C: 0,36–0,6%, Mn: 0,5–2,0%, Al: 0,01–0,06%, Si: bis zu 0,4%, Cr: bis zu 0,6%, P: bis zu 0,02%, S: bis zu 0,01%, Ti: bis zu 0,05%, B: 0,0008–0,005%, Cu: bis zu 0,1%, N: bis zu 0,01%, und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.
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Das derart zusammengesetzte Vormaterial (Stahlplatine bzw. vorgeformtes Stahlteil) wird bei einer oberhalb der Ac3-Temperatur des jeweiligen Stahls, im Bereich von 820–950°C liegenden Austenitisierungstemperatur durcherwärmt, um im Vormaterial ein austenitisches Gefüge zu erzeugen.
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Anschließend wird das Vormaterial in ein Pressformwerkzeug eingelegt und darin zu dem Stahlformteil in an sich bekannter Weise so pressformgehärtet, dass in dem erhaltenen Bauteil ein im Wesentlichen vollständig martensitisches Gefüge vorliegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit ein Stahlbauteil, das durch ein martensitisches Gefüge gekennzeichnet ist.
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Besondere Bedeutung im Hinblick auf die Zugfestigkeit erfindungsgemäß erzeugter Stahlformteile kommt dabei dem jeweiligen C-Gehalt zu. Wegen des gegenüber den konventionellerweise durch martensitisches Pressformhärten verarbeiteten MnB-Stählen erhöhten Kohlenstoffgehaltes weisen erfindungsgemäß erhaltene Stahlformteile eine deutlich erhöhte Zugefestigkeit auf. So weisen in erfindungsgemäßer Weise erzeugte Stahlformteile bei C-Gehalten von mindestens 0,4 Gew.-% und mehr eine Zugfestigkeit von mindestens 2.000 MPa auf.
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Trotz der gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhten Festigkeiten liegt die Bruchdehnung erfindungsgemäß erzeugter Stahlformteile auf dem gleichen Niveau wie die Bruchdehnung der aus den konventioneller Weise für diesen Zweck verwendeten 22MnB5-Stählen. Mit der Erfindung können somit festere oder leichtere Bauteile hergestellt werden, als dies mit den im Stand der Technik üblicherweise für diesen Zweck verwendeten MnB-Stählen möglich ist.
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Um vor der Pressformgebung das im Wesentlichen vollständig austenitische Gefüge herzustellen, wird das in erfindungsgemäßer Weise zusammengesetzte Vormaterial auf eine Austenitisierungstemperatur durcherwärmt, die im Bereich von 820–950°C liegt. Praktische Versuche haben ergeben, dass es dabei ausreicht, wenn die Durcherwärmung des Vormaterials auf die Austenitisierungstemperatur in einer Austenitisierungszeit von 2–10 Minuten erfolgt.
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Die für die Entstehung des erfindungsgemäß geforderten martensitischen Gefüges erforderliche schnelle Abkühlung im Pressformwerkzeug kann dadurch erreicht werden, dass die maximale Werkzeugtemperatur auf 200°C beschränkt werden. Selbstverständlich kann dazu das Pressformwerkzeug aktiv gekühlt werden. Praktische Erprobungen haben bestätigt, dass bei derart beschränkten Werkzeugtemperaturen die Formgebung und Abschreckung des Stahlformteils innerhalb einer für eine hohe Produktivität des Verfahrens sprechenden Werkzeugschließzeit von weniger als 20 Sekunden absolviert werden kann.
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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. Zu diesem Zweck kann das Vormaterial in an sich bekannter Weise mit einer Al- oder Zn-basierten Beschichtung versehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Überzug handeln, der im Wesentlichen vollständig aus Zn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht (so genannte ”Z-Beschichtung”), um eine Zink-Eisen-Schicht, die aus bis zu 92 Gew.-% Zn und bis zu 12 Gew.-% Fe besteht (so genannte ”ZF-Beschichtung”), oder um eine Aluminium-Silizium-Schicht, die einen Al-Gehalt von bis zu 92 Gew.-% und einen Si-Gehalt von bis zu 12 Gew.-% aufweist (so genannte ”AlSi-Beschichtung”).
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Alternativ oder ergänzend zu einer metallischen Beschichtung kann das Vormaterial zum Schutz vor Korrosion in an sich bekannter Weise auch mit einem organischen Überzug versehen sein.
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Zur Verbesserung der Duktilität und des Bauteilcrashverhaltens, d. h. insbesondere der Faltenbildung im Fall eines Crashs, können die nach dem Pressformhärten erhaltenen Stahlformteile einer Anlassbehandlung unterzogen werden. Die dabei einzustellenden Anlasstemperaturen liegen typischerweise im Bereich von 250–500°C bei Anlasszeiten von 10–30 Minuten.
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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 schützenden auf Al oder Zn basierenden metallischen Beschichtung, insbesondere einer AlSi-Beschichtung, versehene Stahlplatine zunächst auf eine Austenitisierungstemperatur TA erwärmt, die deutlich oberhalb der Ac3-Temperatur des Stahls liegt, aus dem die Stahlplatine jeweils hergestellt ist. Bei der Austenitisierungstemperatur TA wird die Stahlplatine für eine Zeit tA gehalten, bis die Stahlplatine vollständig durcherwärmt ist. Der Bereich, in dem der Stahl ein austentisches Gefüge aufweist, ist in 1 mit A gekennzeichnet.
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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. Sie liegt in der Praxis typischerweise im Bereich von 6–12 Sekunden. Die Temperatur TW, mit der die Stahlplatine in das Pressformwerkzeug gelangt, liegt immer noch über der Ac3-Temperatur.
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Das Pressformwerkzeug ist mit einer Temperiereinrichtung ausgestattet, durch die es auf einer unterhalb von 200°C liegenden Werkzeugtemperatur gehalten wird.
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Das aus der Stahlplatine geformte, mit dem Pressformwerkzeug unmittelbar in Kontakt kommende Stahlformteil wird dementsprechend über eine Abkühlzeit tK auf eine deutlich unter der Martensitstarttemperatur Ms liegende Temperatur gekühlt. Die Abkühlung erfolgt dabei so schnell, dass das Gefüge des erhaltenen Stahlformteils im Wesentlichen ausschließlich aus Martensit besteht. Die Werkzeugschließzeit, innerhalb der die Pressformgebung und Abschreckung zur Bildung des martensitischen Härtegefüges absolviert wird, liegt dabei unter 20 Sekunden.
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Entsprechend dem voranstehend in allgemeiner Form beschriebenen Vorgehen ist in einem Versuch als Vormaterial eine aus einem Warmband von 3–4 mm Dicke kaltgewalzte, 1,5–2 mm dicke Stahlplatine, die aus einem Stahl mit der in Tabelle 1 in Gew.-% angegebenen Zusammensetzung bestand, auf eine Austenitisierungstemperatur TA von 900°C erwärmt worden und auf dieser Temperatur TA für eine Austenitisierungszeit tA von 6 min gehalten worden.
| C | Si | Mn | P | S |
| 0,36 | 0,21 | 1,21 | 0,009 | 0,001 |
| Al | N | Cr | Cu | Ti | B |
| 0,029 | 0,01 | 0,12 | 0,018 | 0,035 | 0,0021 |
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen Tabelle 1
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Anschließend ist die Stahlplatine in einer 6 s betragenden Transferzeit tT an Luft in ein Pressformwerkzeug transportiert worden, das auf Raumtemperatur gehalten worden ist. In dem Presswerkzeug ist die Stahlplatine dann über eine Werkzeugschließzeit tW von weniger 20 s pressverformt worden.
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Zum Vergleich ist eine aus dem Standardstahl 22MnB5 eine Platine in derselben Weise zu einem Stahlformteil pressformgehärtet.
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In Tabelle 2 sind die mechanischen Eigenschaften der auf diese Weise erhaltenen Stahlformteile nach dem Presshärten angegeben.
| Stahl | Rp0,2 [MPa] | Rm [MPa] | A80 [%] |
| Erfindung | 1165 | 1908 | 5,0 |
| 22Mb5 (Vergleich) | 1044 | 1508 | 5,4 |
Tabelle 2
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Um die Duktilität im Crashfall zu verbessern, ist das in erfindungsgemäßer Weise erzeugte Stahlformteil nach dem Presshärten über eine Anlasszeit von jeweils 30 Minuten verschiedenen Anlassbehandlungen im Temperaturbereich von 250–500°C unterzogen und die sich daraufhin einstellenden mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit Rm, Streckgrenze Rp0,2 und Bruchdehnung A80 ermittelt worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in 2 wiedergegeben. Es zeigte sich, dass das Eigenschaftsprofil des erfindungsgemäß erzeugten Stahlformteils bei einer im Bereich von 250–305°C liegenden Anlasstemperatur dem des aus dem konventionellen Stahl zum Vergleich erzeugten Bauteils im nicht angelassenen Zustand entspricht.
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Besonders deutlich wird die Überlegenheit des erfindungsgemäß erzeugten Stahlformteils, wenn die in Tabelle 3 eingetragenen mechanischen Eigenschaften der Stahlformteile im angelassenen Zustand verglichen werden (Anlasstemperatur jeweils 300°C, Anlasszeit jeweils 30 Minuten).
| Stahl | Rp0,2 [MPa] | Rm [MPa] | A80 [%] |
| Erfindung | 1376 | 1532 | 4,4 |
| 22Mb5 (Vergleich) | 1211 | 1361 | 4,5 |
Tabelle 3
