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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines warmpressgehärteten
Bauteils, eine Verwendung eines Stahlproduktes zur Herstellung eines
warmpressgehärteten Bauteils und ein warmpressgehärtetes Bauteil.
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Um
die 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, aus hochfesten Stählen warmpressgeformte
Bauteile eingesetzt.
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Beim
Warmpresshärten werden Stahlplatinen, die von kalt- oder
warmgewalztem Stahlband abgeteilt sind, 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. Die Abkühlraten sind dabei
so eingestellt, dass 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 unter
der Bezeichnung ”22MnB5” bekannt und im Stahlschlüssel
2004 unter der Werkstoffnummer 1.5528 zu finden.
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Den
Vorteilen der bekannten MnB-Stählen steht in der Praxis
jedoch der Nachteil gegenüber, dass hochmanganhaltige Stähle
zu unbeständig gegen Nasskorrosion und nur schwer zu passivieren
sind. Diese im Vergleich zu niedriger legierten Stählen
bei Einwirken erhöhter Chloridionen-Konzentrationen große
Neigung zu lokal zwar begrenzter, jedoch intensiver Korrosion macht
die Verwendung von zur Werkstoffgruppe der hochlegierten Stahlbleche
gehörenden Stählen gerade im Karosseriebau schwierig.
Zudem neigen hochmanganhaltige Stähle zu Flächenkorrosion,
wodurch das Spektrum ihrer Verwendung ebenfalls einschränkt wird.
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Daher
ist vorgeschlagen worden, auch Stahlflachprodukte, die aus hochmanganhaltigen
Stählen erzeugt sind, in an sich bekannter Weise mit einem
metallischen Überzug zu versehen, der den Stahl vor korrosivem
Angriff schützt. Dabei ergab sich allerdings das Problem,
dass sich solche Stahlflachprodukte nur schlecht benetzen lassen
und infolgedessen die bei einer Kaltverformung von dem Überzug
erforderliche Haftung auf dem Stahlsubstrat unzureichend ist.
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Es
sind eine große Zahl von Vorschlägen gemacht worden,
um aus einem hochmanganhaltigen Stahl erzeugte Stahlflachprodukte
mit einem vor Korrosion schützenden Überzug zu
versehen, der den in der Praxis gestellten Anforderungen gerecht
wird (
DE 10 2005
008 410 B3 ,
WO
2006/042931 A1 ,
WO
2006/042930 ,
DE 10
2006 039 307 B3 und viele andere). Diesen Vorschlägen
gemeinsam ist, dass das jeweils zu beschichtende Stahlflachprodukt
in einem aufwändigen und aufgrund der zu beachtenden Bedingungen
prozesstechnisch schwer zu beherrschenden Glühschritt geglüht
werden muss, um anschließend in einem geeigneten Beschichtungsverfahren
mit dem Korrosionsschutzüberzug versehen zu werden. Des
Weiteren wurde aufgezeigt, dass die Beschichtung der Stahlflachprodukte
insbesondere an den Rollen der Öfen zu Abrieb führt.
In Folge dieses Verschleißes sind ein frühzeitiger
Austausch oder andere Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich,
mit denen lange Stillstandszeiten verbunden sind.
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Vor
diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein
Verfahren zu nennen, mit dem sich hochfeste, vor korrosiven Angriffen
geschützte Bauteile einfacher herstellen lassen als mit
den voranstehend erwähnten bekannten Verfahren.
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Darüber
hinaus sollte eine Verwendung eines Stahlprodukts genannt werden,
welches sich besonders gut für eine vereinfachte Herstellung
von hochfesten Bauteilen eignet, die unempfindlich gegen Korrosion
sind.
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Schließlich
sollte ein verfahrenstechnisch vereinfacht herzustellendes Bauteil
angegeben werden, das bei hoher Belastbarkeit optimal gegen Korrosion
geschützt ist.
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In
Bezug auf das Verfahren ist diese Aufgabe dadurch gelöst
worden, dass erfindungsgemäß bei der Herstellung
eines hochfesten Bauteils aus einem Stahlflachprodukt die in Anspruch
1 angegebenen Arbeitsschritte durchlaufen werden.
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In
Bezug auf die Verwendung besteht die Lösung der oben genannten
Aufgabe erfindungsgemäß darin, dass erfindungsgemäß für
die Herstellung eines Bauteils ein Stahlflachprodukt nach Maßgabe
des Anspruchs 15 verwendet wird.
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Die
erfindungsgemäße Lösung der oben genannten
Aufgabe in Bezug auf das Bauteil besteht darin, dass das Bauteil
gemäß Anspruch 20 ausgebildet ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
der erfindungsgemäßen Verwendung und des erfindungsgemäßen
Bauteils sind in den auf die jeweiligen unabhängigen Ansprüche
1, 15 und 20 rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich eine bestimmte
Klasse von an sich bekannten nicht rostenden Stählen zum
Warmpresshärten eignet. Neben einem optimalen Gebrauchs-
und Korrosionsverhalten im praktischen Einsatz hat die erfindungsgemäße
Verwendung solcher nicht rostender Stähle für
das Warmpresshärten den Vorteil, dass weder während
der Warmformgebung noch während des Härtungsvorgangs
trotz der dabei gegebenen hohen Temperaturen die Gefahr einer Korrosion
besteht. Stattdessen schützen die in dem erfindungsgemäß verwendeten
Stahl enthaltenen Legierungsbestandteile das verarbeitete Stahlprodukt
auch während dieser Verfahrensschritte vor korrosiven Angriffen.
Infolgedessen können bei erfindungsgemäßer
Vorgehensweise und Verwendung hochfeste und optimal vor Korrosion
geschützte Bauteile durch Warmpresshärten erzeugt
werden, ohne dass dazu die bei niedrig legierten Stählen
des bisher für das Warmpresshärten eingesetzten
Typs stets erforderlich Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
So ist es bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise
weder erforderlich, das jeweils verarbeitete Stahlprodukt mit einem
vor Korrosion schützenden Überzug zu versehen,
noch müssen bei der Erwärmung besondere Vorkehrungen
zum Schutz des Stahlproduktes vor Korrosion oder zur Herstellung
einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit getroffen werden.
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Eine
erste Gruppe der für das Presshärten geeigneten
Stähle sind die unstabilisierten Ferrite, zu denen beispielsweise
der unter der Werkstoffnummer 1.4003 genormte Stahl zählt.
Ferritische Stähle können beim Abschrecken von
Temperaturen oberhalb der Austenitisierungstemperatur vollständig
oder teilweise martensitisch umwandeln. Diese Stähle eignen
sich vor allem für das direkte Presshärten, können
aber auch in indirekten Verfahren umgeformt werden.
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Beim
direkten, auch ”einstufig” genannten Presshärten
wird eine aus einem geeigneten Stahlflachprodukt konfektionierte
Blechplatine in einem Zug zu dem jeweiligen Bauteil geformt und
der zum Einstellen der jeweils gewünschten Härte
erforderlichen Wärmebehandlung unterzogen.
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Beim
indirekten, auch ”zweistufig” genannten Pressformhärten
wird die jeweilige Blechplatine in einem ersten Schritt zu dem jeweiligen
Bauteil geformt. Das erhaltene Bauteil wird dann auf Härtetemperatur
erwärmt und in einem weiteren Pressformwerkzeug im Zuge
einer abschließenden Pressformgebung in der für
die Einstellung des jeweils gewünschten Härtegefüges
erforderlichen Weise wärmebehandelt.
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Eine
weitere Gruppe der für das Presshärten geeigneten
nicht rostenden Stähle sind Martensite. Diese Stähle
weisen oberhalb von 900 bis 1000°C ein austenitisches Gefüge
mit einer hohen Löslichkeit für Kohlenstoff auf.
Während ihrer Abkühlung entsteht Martensit. Als
typische Vertreter dieser Stahlsorte sind die unter den Werkstoffnummern
1.4021 und 1.4034 bekannten Stähle zu nennen.
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Auch
martensitisch-ferrritische Stähle, bei denen das Gefüge
neben Martensit höhere Anteile an Ferrit enthält,
können pressformgehärtet werden. Zu dieser Gruppe
von Stählen zählt beispielsweise der unter der Werkstoffnummer
1.4006 genormte Stahl.
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Typische
martensitische Stähle weisen Kohlenstoffgehalte von 0,08–1
Gew.-% auf. Sie werden an Luft gehärtet. Ihre mechanische
Festigkeit kann aber durch Abschrecken mit höheren Abkühlraten
weiter erhöht werden.
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Martensitische
Stähle mit geringen C-Gehalten bis max. 0,06% werden teilweise
mit bis zu 6 Nickel legiert. Diese Zusammensetzung bewirkt, dass
nach dem Vergüten teilweise Austenit entsteht. Stähle
dieser Art werden als ”nickelmartensitisch” oder
auch ”supermartensitisch” bezeichnet. Solche Stähle
eignen sich vor allem für das direkte Presshärten,
können aber auch in indirekten Verfahren umgeformt werden.
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Bei
ausscheidungshärtenden Stählen, wie beispielsweise
dem unter der Werkstoffnummer 1.4568 geführten Stahl, führt
nach dem Lösungsglühen und Abschrecken die Ausscheidung
intermetallischer Verbindungen sowie von Carbiden, Nitriden und
Kupferphasen aus dem martensitischen Gefüge zu einer erhöhten
Festigkeit. Im direkten Presshärten können auf
diesem Wege Festigkeiten bis etwa 1000 MPa erreicht werden. Nach
einer anschließenden Anlassbehandlung kann die Festigkeit
um bis zu 500 MPa angehoben werden. Durch die gute Kaltumformbarkeit
sind diese Stähle auch für indirekte Verfahren
gut geeignet. Ebenfalls besteht durch Einbringen einer gleichmäßigen
Kaltverformung (Nachwalzen) vor dem Umformen ein weiteres Härtungspotenzial.
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Im
Ergebnis erlaubt die erfindungsgemäße Verwendung
von einem nicht rostenden Stahlprodukt für die Herstellung
von warmpressgehärteten Bauteilen und die sich daraus ergebende
Verfahrensweise eine gegenüber dem Stand der Technik des
Warmpresshärtens deutlich vereinfachte Herstellung von
Bauteilen, die hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und
ihres Korrosionsschutzes optimal für anspruchsvolle Anwendungen,
wie beispielsweise den Bau von Automobilkarosserien, geeignet sind.
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Ein
erfindungsgemäß warmpressgehärtetes Bauteil
wird aus einem Stahlprodukt erzeugt, das aus einem nicht rostenden
Stahl besteht, der als Pflichtbestandteile (in Gew.-%) C: 0,010–1,200%,
P: bis zu 0,1%, S: bis zu 0,1%, Si: 0,10–1,5%, Cr: 10,5–20,0%
und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.
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Durch
die in einem erfindungsgemäß verwendeten Stahl
enthaltene, im Bereich von 0,01–1,2 Gew.-% liegende Menge
an Kohlenstoff lässt sich die Martensithärte des
Stahls steuern. Optimale Eigenschaften des erfindungsgemäß durch
Warmpresshärten erzeugten Bauteils ergeben sich in dieser
Hinsicht dann, wenn der erfindungsgemäß verwendete
Stahl 0,01–1,0 Gew.-% C, insbesondere 0,01–0,5
Gew.-%, enthält.
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Gehalte
von 0,1–1,5 Gew.-% Si wirken als Antioxidant und erhöhen
die Festigkeit des Stahls.
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Der
hohe Cr-Anteil erfindungsgemäß verwendeter Stähle
trägt insbesondere im Hochtemperatureinsatz wesentlich zur
Korrosionsbeständigkeit bei. Er führt bei Raumtemperatur
wie auch bei hohen Temperaturen zur Bildung einer Cr-Oxidschicht
auf der Oberfläche, so dass das erfindungsgemäß verarbeitete
Stahlprodukt weder während der Wärmebehandlung
noch im späteren praktischen Einsatz einen zusätzlichen
Korrosionsschutz benötigt. Der Cr-Anteil im Werkstoff ist
bei hohen Temperaturen, wie sie bei der erfindungsgemäßen
Erwärmung auf die jeweilige Austenitisierungstemperatur
TA vorliegen, formstabiler als bei den konventionell für
das Warmpresshärten verwendeten, korrosionsempfindlichen
MnB-Güten. Dementsprechend einfacher ist es, erfindungsgemäß verwendete
Stahlprodukte bei hohen Temperaturen zu verarbeiten. Insbesondere
kann auch der Transport von der Erwärmungseinrichtung bis
zum Einlegen in das jeweilige Presswerkzeug ohne die Gefahr einer
das Verarbeitungsergebnis beeinträchtigenden Oxidation
der Oberfläche an Umgebungsluft erfolgen. Ein optimal ausgewogenes
Verhältnis an Legierungskosten und positiven Wirkungen
des Cr-Anteils eines erfindungsgemäß verwendeten
Stahls ergibt sich dann, wenn sein Cr-Gehalt zwischen 11 und 19
Gew.-%, insbesondere 11–15 Gew.-%, liegt.
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Die
Gehalte an P und S sind jeweils auf 0,1 Gew.-% beschränkt,
um negativen Auswirkungen dieser Elemente auf die mechanischen Eigenschaften
des erfindungsgemäß verarbeiteten Stahls vorzubeugen.
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Neben
den voranstehend genannten Pflichtbestandteilen kann der erfindungsgemäß verwendete Stahl
optional eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe ”Mn,
Mo, Ni, Cu, N, Ti, Nb, B, V, Al, Ca, As, Sn, Sb, Pb, Bi, H” mit
der Maßgabe enthalten, dass die betreffenden Elemente in
folgenden Gehalten vorhanden sind (Angaben in Gew.-%) Mn: 0,10–.3,0%,
Mo: 0,05–2,50%, Ni: 0,05–8,50%, Cu: 0,050–3,00%,
N: 0,01–0,2%, Ti: bis zu 0,02%, Nb: bis zu 0,1%, B: bis
zu 0,1%, V: bis zu 0,2%, Al: 0,001.–1,5%, Ca: 0,0005–0,003%,
As: 0,003–0,015%, Sn: 0,003–0,01%, Sb: 0,002–0,01%,
Pb: bis zu 0,01%, Bi: bis zu 0,01% und H: bis zu 0,0025.
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Die
Anwesenheit von Mn in Gehalten von 0,10–3,0 Gew.-% unterstützt
die gewünschte Austenitbildung bei hohen Temperaturen,
so dass das erfindungsgemäß angestrebte Härtegefüge
gebildet wird.
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Molybdän
in Gehalten von 0,05–2,50 Gew.-% trägt zur Verbesserung
der Korrosionsbeständigkeit bei.
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Nickel
kann in einem erfindungsgemäß verwendeten nicht
rostenden Stahl in Gehalten von 0,05–8,50 Gew.-%, insbesondere
0,05–7,0 Gew.-%, vorhanden sein, um ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit
zu erhöhen und die Austenitbildung bei hohen Temperaturen,
wie sie bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise während
der dem Pressformen vorangehenden Wärmebehandlung erreicht
werden, zu unterstützen. Diese Wirkung tritt bereits bei
Gehalten von bis zu 1,5 Gew.-% Nickel mit ausreichender Effektivität
ein, so dass bei einer praxisgerechten Ausgestaltung der Erfindung
die Obergrenze des Ni-Gehaltsbereichs auf diesen Wert beschränkt
sein kann.
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Cu
kann einem erfindungsgemäß verwendeten Stahl ebenfalls
zur Unterstützung der für die Entstehung des Härtegefüges
gewünschten Austenitbildung in Gehalten von 0,050–3,00
Gew.-% zugegeben werden.
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Über
Stickstoff-Gehalte von 0,01–0,2 Gew.-%, insbesondere 0,01–0,02
Gew.-%, lässt sich ebenfalls die Martensithärte
des erfindungsgemäß verwendeten Stahls steuern.
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Ti
in Gehalten von bis zu 0,02 Gew.-% minimiert die Gefahr von Rissbildung
während des im Zuge der Herstellung eines erfindungsgemäß verarbeiteten
Stahlprodukts erforderlichen Vergießens des nicht rostenden
Stahls.
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Auch
Gehalte bis zu 0,1 Gew.-% an Niob tragen zur Verbesserung der Umformbarkeit
des Stahles während der Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten
Stahlproduktes bei.
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B
in Gehalten von bis zu 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,05 Gew.-%, wirkt
sich ebenfalls positiv auf die Vermeidung von Rissen beim Bandguss
eines erfindungsgemäß verarbeiteten Stahls aus
und vermindert beim konventionellen Strangguss die Gefahr von Oberflächenaufreißern.
Zudem lässt sich durch Zugabe von Bor auch die Martensithärte
des erfindungsgemäß verarbeiteten Stahls steuern.
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V
in Gehalten von bis zu 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-%, verbessert
wie Nb die Umformbarkeit während des Vergießens
des erfindungsgemäß verwendeten Stahls.
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Al
in Gehalten von 0,001–1,50 Gew.-%, insbesondere 0,001–0,03
Gew.-%, und Ca in Gehalten von 0,0005–0,003 Gew.-% tragen
zur Optimierung des Reinheitsgrades eines erfindungsgemäß verwendeten Stahls
während seines Vergießens im Band- oder Strangguss
bei.
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As
in Gehalten von 0,003–0,015 Gew.-%, Sn in Gehalten von
0,003–0,01 Gew.-%, Sb in Gehalten von 0,002–0,01
Gew.-%, Pb in Gehalten von bis zu 0,01 Gew.-% und Bi in Gehalten
von bis zu 0,01 Gew.-% werden erfindungsgemäßem
Stahl zugegeben, um beim Bandguss Rissbildung zu vermeiden oder
um beim Warmwalzen von stranggegossenem erfindungsgemäß verwendetem
Stahl Oberflächenfehler zu vermeiden.
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Die
Gehalte an H werden bei einem erfindungsgemäß verarbeiteten
Stahl schließlich auf bis zu 0,0025 Gew.-% begrenzt, um
die Entstehung von so genanntem ”Delayed Cracking”,
d. h. einer verzögerten, wasserstoffinduzierten Rissbildung
unter den im praktischen Gebrauch herrschenden Bedingungen, zu vermeiden.
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Bei
dem erfindungsgemäß verwendeten, in der voranstehend
erläuterten Weise zusammengesetzten Stahlprodukt kann es
sich um ein durch Warm- oder Kaltwalzen erzeugtes Stahlflachprodukt,
also beispielsweise einen aus einem warm- oder kaltgewalzten nicht
rostenden Stahlblech oder -band gewonnenen Zuschnitt handeln. Ebenso
ist es aber auch möglich, als Stahlprodukt ein Halbzeug
zu verarbeiten, das aus einem entsprechenden Stahlflachprodukt vorgeformt
worden ist, bevor es in erfindungemäßer Weise
verarbeitet wird.
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Des
Weiteren kann das erfindungsgemäß verwendete Stahlprodukt
als so genanntes ”Tailored Blank” aus mindestens
zwei miteinander verbundenen Stahlflachproduktzuschnitten gebildet
sein, die sich hinsichtlich ihrer Dicke oder physikalischen Eigenschaften
voneinander unterscheiden. Auf diese Weise lassen sich in der Praxis
unterschiedlich belasteten Abschnitten des erfindungsgemäß erzeugten
und beschaffenen Bauteils den jeweils auftretenden Belastungen optimal
angepasste Materialien zuweisen. So ist es ebenfalls möglich, dass
nur ein Teilabschnitt des erfindungsgemäß verwendeten
Stahlflachproduktes aus einem nicht rostenden Stahl der erfindungsgemäß vorgegebenen
Zusammensetzung besteht, während ein anderer Abschnitt
aus einem konventionellen niedrig legierten und rostempfindlichen
Stahl erzeugt ist, wenn dies unter Berücksichtigung der
jeweils örtlichen Gegebenheiten und Belastungen angezeigt
ist, unter denen das erfindungsgemäß erzeugte
Bauteil in der Praxis eingesetzt ist.
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Das
entsprechend ausgebildete Stahlprodukt durchläuft erfindungsgemäß folgende
für das Warmpresshärten typische Arbeitsschritte:
- a) Bereitstellen eines in der voranstehend
erläuterten Weise beschaffenen Stahlproduktes;
- b) Durcherwärmen des Stahlprodukts auf eine mindestens
oberhalb der Ac1-Temperatur des nicht rostenden Stahls liegenden
Austenitisierungstemperatur;
- c) Warmpresshärten des erwärmten Stahlprodukts
zu dem Bauteil in einem Presswerkzeug;
- d) Abkühlen mindestens eines Abschnitts des erhaltenen
Bauteils mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die so hoch ist,
dass sich in dem jeweils schnell abgekühlten Abschnitt
Härtegefüge bildet.
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Durch
die Höhe der jeweils erreichten Austenitisierungstemperatur
lässt sich die Ausbildung des Härtegefüges
im nach dem Warmpresshärten erfindungsgemäß erhaltenen
Bauteils steuern. So kann dadurch, dass die Autenitiserungstemperatur
auf einen zwischen der Ac1-Temperatur und der Ac3-Temperatur des Stahls
liegenden Wert eingestellt wird, eine Teilaustenitisierung des Stahls
erreicht werden mit der Folge, dass eine vollständige Martensithärtung
des Bauteiles beim Presshärten vermieden wird (Ac1-Temperatur:
Temperatur, bei der die Umwandlung in Austenit einsetzt; Ac3-Temperatur:
Temperatur, bei der die Umwandlung in Austenit abgeschlossen ist).
Stattdessen wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung in dem jeweils
herzustellenden, erfindungsgemäß beschaffenen
Bauteil ein aus Martensit und Ferrit bestehendes Mischgefüge
erzeugt, das einerseits überraschend hohe Festigkeiten
und andererseits hohe Dehnungswerte und eine für den jeweiligen
Anwendungszweck ausreichende Zähigkeit des erfindungsgemäßen
Bauteils gewährleistet.
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Um
maximale Festigkeitswerte eines erfindungsgemäß erzeugten
Bauteils zu erreichen, kann das erfindungsgemäß verarbeitete
Stahlprodukt dagegen im Zuge des Arbeitsschritts b) auf eine Austenitisierungstemperatur
erwärmt werden, die oberhalb der Ac3-Temperatur des nicht
rostenden Stahls liegt. Das in diesem Fall vollständig
austenitisierte Gefüge wandelt beim anschließenden
Abkühlen vollständig in Martensit um, so das eine
hohe Gefügehärte und damit einhergehend maximale
Zugfestigkeiten erreicht werden.
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Die
zur Ausbildung des Härtegefüges erforderliche
schnelle Abkühlung des erfindungsgemäß warmpressgehärteten
Bauteils kann in an sich bekannter Weise im Presswerkzeug selbst
erfolgen, das dazu mit einer geeigneten Kühleinrichtung
versehen ist. Alternativ kann die Abkühlung auch nach der
Warmpressformgebung in einem separaten Arbeitsschritt erfolgen,
wenn gewährleistet ist, dass das Bauteil nach Beendigung des
Warmpressvorgangs noch eine ausreichend hohe Temperatur besitzt.
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In
ebenfalls an sich bekannter Weise kann sowohl die Erwärmung
des Stahlproduktes vor der Warmpressformgebung als auch die Abkühlung
nach der Warmpressformgebung auf bestimmte Abschnitte des Stahlproduktes
beschränkt werden, wenn am fertigen Bauteil Zonen mit unterschiedlichen
mechanischen Eigenschaften erzeugt werden sollen.
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Die
Erwärmung des Stahlflachproduktes erfolgt bevorzugt in
einem geschlossenen Ofen. Denkbar ist aber auch eine Erwärmung
durch Induktion oder Konduktion.
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Ein
an jeder Stelle hoch belastbares Bauteil lässt sich demgegenüber
in erfindungsgemäßer Weise dadurch erzeugen, dass
das Stahlformteil so erwärmt und abgekühlt wird,
dass sich über sein gesamtes Volumen Härtegefüge
bildet.
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Um
die Entstehung von Härtegefüge (z. B. vollständig
martensitisch) sicher zu gewährleisten, sind bei erfindungsgemäßer
Vorgehensweise Abkühlgeschwindigkeiten ausreichend, die
maximal 25 K/s, insbesondere maximal 20 K/s, betragen, wobei sich
besonders gute Arbeitsergebnisse einstellen, wenn die Abkühlgeschwindigkeit
auf maximal 15 K/s beschränkt ist. Um die Entstehung einer
ausreichenden Härte zu gewährleisten, sollte die
Abkühlrate jedoch mindestens 0,1 K/s, insbesondere mindestens
0,2–1,3 K/s betragen. Abkühlraten oberhalb von
25 K/s haben gezeigt, dass es zu einer ungewollt schnellen Aufhärtung
kommt, die zu einer eingeschränkten Umformbarkeit führt.
Bevorzugt werden Abkühlraten zwischen 5 und 20 K/s eingestellt, wobei
mit ansteigender Ablühlrate höhere Festigkeiten
im Bauteil erzielt werden können.
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Die
Ausbildung der einzelnen Zonen unterschiedlicher Beschaffenheit
kann auch dadurch beeinflusst werden, dass bestimmte Zonen der mit
dem Stahlprodukt in Berührung kommenden Flächen
des Pressformwerkzeugs erwärmt sind, so dass dort eine
zu Härtegefüge führende Abkühlung
des Stahlprodukts beispielsweise sicher vermieden wird.
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Erfindungsgemäß erzeugte
Bauteile weisen in den Bereichen, in denen sie Härtegefüge
besitzen, regelmäßig eine mindestens 900 MPa betragende
Zugfestigkeit auf und besitzen dort eine Dehnung A80 von mindestens
2%.
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Aufgrund
ihrer praxisgerechten Kombination aus optimierten mechanischen Eigenschaften
einerseits und hoher Korrosionsbeständigkeit andererseits
eignen sich erfindungsgemäß durch Warmpresshärten
eines aus einem nicht rostenden Stahl erzeugten Stahlprodukts hergestellte
Bauteile besonders als Teile von Karosserien für Kraftfahrzeuge,
Nutzfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge, für Flugzeuge oder
hochfeste Konstruktionselemente.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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1 zeigt
ein Diagramm, in dem für verschiedene Stähle die
Bruchdehnung A80 in % über die Zugfestigkeit Rm in MPa
aufgetragen ist.
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Die
Festigkeit der pressgehärteten Bauteile wird über
die Härte und die in der DIN 50150 angegebenen
Tabellen in eine Zugfestigkeit Rm überführt. Die
in der DIN 50150 ausgewiesenen Werte für
die Vickershärte HV10 und die Zugfestigkeit sind für
unlegierte und niedriglegierte Stähle ermittelt.
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Referenzversuche,
die für den Werkstoff 4003 und 4034 durchgeführt
worden sind, ergeben eine gute Übereinstimmung der Tabellenwerte
mit den an gehärteten Zugversuchsproben gemessenen HV10-
bzw. Zugfestigkeitswerten. Die Ergebnisse der Referenzversuche sind
in Tabelle 1 angegeben.
| Stahl | HV10
(gemessen) | Zugfestigkeit
(gemessen) [MPa] | Zugfestigkeit
(Umrechnung) [MPa] |
| 4003 | 320 | 1030 | 1075 |
| 4034 | 499 | 1629 | 1630 |
Tabelle
1
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Unter
Verwendung von aus Stählen S1–S9 hergestellten
Platinen sind verschiedene Versuche durchgeführt worden.
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In
Tabelle 2 sind die Werkstoffnummern (”Sorte”)
und die die Eigenschaften bestimmenden Legierungsbestandteile der
betreffenden Stähle S1–S9 eingetragen.
| | Sorte | C | P | S | Si | Cr | Sonstige |
| S1 | 1.4003 | 0,011 | 0,025 | 0,0015 | 0,32 | 11,0 | Mn:
1,03 |
| S2 | 1.4006 | 0,110 | 0,022 | 0,0027 | 0,89 | 13,61 | |
| S3 | 1.4021 | 0,265 | 0,030 | 0,0021 | 0,27 | 13,17 | |
| S4 | 1.4028 | 0,352 | 0,021 | 0,0024 | 0,37 | 13,17 | |
| S5 | 1.4034 | 0,469 | 0,023 | 0,0021 | 0,41 | 15,31 | |
| S6 | 1.4112 | 0,930 | 0,023 | 0,0019 | 0,78 | 18,81 | Mo:
1,3
V: 0,12 |
| S7 | 1.4418 | 0,031 | 0,027 | 0,0023 | 0,98 | 16,29 | Mo:
1,5
Ni: 6,0
N: 0,03 |
| S8 | 1.4568 | 0,070 | 0,021 | 0,0025 | 0,25 | 18,0 | Ni:
7,75
Al: 1,5 |
| S9 | 1.4532 | 0,080 | 0,023 | 0,0025 | 0,41 | 15,7 | Ni:
7,75
Mo: 2,49
Al: 1,5 |
Tabelle
2
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In
Tabelle 3 sind für aus den Stählen S1–S7
erzeugte Platinen zusätzlich die jeweils vor dem Presshärten
ermittelte Zugfestigkeit und Vickershärte HV10 sowie die jeweiligen
Ac1B- und Ac1E-Temperaturen eingetragen (Index = Beginn; Index ”E” =
Ende).
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Liegt
die Temperatur bei Ac1E, stellt sich ein Gefüge aus Austenit
und Karbiden ein. Bei geringen Umformgraden, insbesondere während
des Presshärtens, haben die Karbide keinen negativen Einfluss,
insbesondere nicht auf die Gefügeumwandlung. Müssen
hohe Umformgrade realisiert werden, dann sollte die Temperatur auf
mindestens Ac3 erhöht werden, die abhängig vom
C- und Cr-Gehalt des nicht rostenden Stahls ist, um zu gewährleisten,
dass sich die Karbide vollständig auflösen. Karbide
können sich bei hohen Umformgraden störend auswirken
und beispielsweise zu Rissen im Bauteil führen.
| | Rm | A80 | HV10 | Ac1B | Ac1E |
| S1 | 498 | 26,9 | 154 | 795 | 885 |
| S2 | 532 | 25,4 | 162 | 795 | 885 |
| S3 | 591 | 25,1 | 191 | 795 | 885 |
| S4 | 513 | 24,7 | 198 | 835 | 880 |
| S5 | 655 | 22,9 | 209 | 790 | 845 |
| S6 | 763 | 16,5 | 258 | 810 | 855 |
| S7 | 1110 | 8,2 | 370 | 600 | 720 |
Tabelle
3
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Aus
den aus den Stählen S1–S7 erzeugten Platinen sind
durch direktes, in einem Zuge erfolgendes Pressformhärten
Blechformteile geformt worden. Für die so erhaltenen Blechformteile
ist dann die Vickershärte HV10 gemessen und daraus die
Zugfestigkeit in der in der DIN 50150 beschriebenen
Weise ermittelt worden.
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Zwecks
Verifizierung der erhaltenen Bauteileigenschaften sind Zugproben
aus den Stählen S1, S4 und S5 direkt pressgehärtet
worden. An den gehärteten Proben S1', S4' und S5' wurden
dann nach DIN 10002 die Zugfestigkeit Rm und die
Dehnung A80 ermittelt.
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Die
in der voranstehend beschriebenen Weise gemessenen und bestimmten
Eigenschaften der aus den Stählen S1–S7 sind in
Tabelle 4 eingetragen.
| | HV10 | Rm
[MPa] | Rm
[MPa] | A80 |
| gemessen | ermittelt
nach DIN 50150 | gemessen DIN
10002 |
| S1,
S1' | 335 | 1075 | 1030 | 8,8 |
| S2 | 417 | 1120 | | |
| S3 | 470 | 1520 | | |
| S4,
S4' | 397 | 1278 | 1350 | 6,5 |
| S5,
S5' | 500 | 1630 | 1621 | 4,1 |
| S6 | 561 | 1848 | | |
| S7 | 360 | 1155 | | |
Tabelle
4
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Um
den Einfluss der Abkühlrate auf die bei erfindungsgemäßer
Vorgehensweise erzielte Bauteilhärte zu ermitteln, sind
Abkühlversuche durchgeführt worden. Dabei sind
in einem zweistufigen Verfahren Platinen, die jeweils aus einem
der Stähle S3–S8 bestanden, zunächst
warmpressgeformt, über unterschiedliche Abkühlzeiten
t8/5 von 800°C auf 500°C und dann bis auf Raumtemperatur
abgekühlt worden. Da im Bereich zwischen 800°C
bis 500°C die wichtigsten Umwandlungen stattfinden, ist
in diesem Bereich das Einhalten der erfindungsgemäßen
Abkühlrate von besonderer Bedeutung, um gezielt Einfluss
auf die Festigkeitswerte nehmen zu können. An den so erhaltenen
Bauteilen ist dann jeweils die Vickershärte HV10 gemessen
worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sowie die im Zuge der
Abkühlung erzielten Abkühlraten sind in Tabelle
5 eingetragen.
| | Stahl
S3 | Stahl
S4 | Stahl
S5 | Stahl
S6 | Stahl
S7 | Stahl
S8 |
| t8/5
[s] | K
[K/s] | HV10 | HV10 | HV10 | HV10 | HV10 | HV10 |
| 40 | 7,50 | 419 | 501 | 587 | 672 | 679 | 375 |
| 150 | 2,00 | | 499 | | | | |
| 200 | 1,50 | | | | 654 | 649 | |
| 230 | 1,30 | 415 | | | | | |
| 600 | 0,50 | | | | 575 | | 485 |
| 650 | 0,46 | | 467 | | | | |
| 700 | 0,43 | 387 | | 523 | | | |
| 3500 | 0,09 | | | 250 | | | |
| 5000 | 0,06 | | 421 | | | | |
Tabelle
5
-
Demnach
sind zur Ausbildung des Härtegefüges jeweils Abkühlraten
ausreichend, die deutlich unterhalb der üblicherweise beim
Pressformhärten angewendeten Abkühlgeschwindigkeiten
liegen. Die erfindungsgemäß verarbeiteten Stähle
wandeln bei langsamem Abkühlen immer noch martensitisch
um. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Fertigungsprozess aus, da
insbesondere beim einstufigen, direkt erfolgenden Pressformhärten
das Umformwerkzeug weniger stark gekühlt werden muss.
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Durch
direktes Pressformhärten erzeugte Bauteile durchlaufen
in der Praxis häufig noch eine Wärmebehandlung.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich bei den Pressformteilen
um Bauteile für Kraftfahrzeugkarosserien handelt, die im
Zuge ihrer Weiterverarbeitung einbrennlackiert werden. Der Einfluss
einer solchen oder einer vergleichbaren Anlassbehandlung auf die
Festigkeits- und Dehnungswerte der in erfindungsgemäßer
Weise pressformgehärteten Bauteile ist anhand von aus jeweils
aus einem der Stähle S2, S3 und S7 bestehenden, in erfindungsgemäßer
Weise durch direktes Pressformhärten erzeugten Bauteilen überprüft
worden, die unter den in Tabelle 6 angegebenen Bedingungen angelassen
worden sind und bei denen sich im Zuge der Anlassbehandlung die
in Tabelle 6 ebenfalls angegebenen Eigenschaften eingestellt haben.
| Stahl | Anlasstemperatur
[°C] | HV10 | Rm,
ermittelt nach DIN 50150 [MPa] |
| S2 | 170 | 351 | 1130 |
| 250 | 350 | 1126 |
| 500 | 346 | 1110 |
| S3 | 170 | 467 | 1510 |
| 250 | 467 | 1510 |
| 500 | 454 | 1470 |
| S7 | 170 | 356 | 1145 |
| 250 | 341 | 1145 |
| 500 | 311 | 998 |
Tabelle
6
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Es
zeigt sich, dass ein Anlassen in dem durch die Versuche abgedeckten
Temperaturbereich von 170–500°C jeweils allenfalls
zu einer sehr geringen Abnahme der Festigkeiten der erfindungsgemäß erzeugten
Bauteile, führt.
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Um
den Prozess des indirekten Presshärtens zu erproben, ist
eine aus dem Stahl S9 bestehende Platine verarbeitet worden. Nach
einem Lösungsglühen wies die Platine eine Zugfestigkeit
Rm von 816 MPa auf. Die so beschaffene Platine ist dann zur Simulation
des Pressformvorgangs zu einem Bauteil umgeformt und über
eine Dauer von 30 min bei 820°C gehalten worden, um anschließend
im Werkzeug abhängig vom Bauteilbereich bzw. des Kontaktzeitpunkts
mit einer Abkühlrate von ca. 15 K/s abgeschreckt zu werden.
Nach dem Abschrecken wies das Bauteil eine Härte HV10 von
340 auf, was einer Zugfestigkeit Rm von ca. 1015 MPa entspricht.
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Zum
Vergleich ist ein aus demselben Werkstoff S9 bestehendes Blech auf
eine Dicke von 1 mm nachgewalzt worden. In Folge der im Zuge des
Nachwalzens eingetretenen Verfestigung lag beim nachgewalzten Blech
eine Zugfestigkeit von 1500 MPa vor. Das in diesem Zustand nur noch
eingeschränkt umformbare nachgewalzte Blech ist anschließend
mit einem Biegeradius von 9 mm um 90° abgekantet worden.
Das so erhaltene Winkelprofil ist im Ofen bei 550°C eine
Stunde lang angelassen und dann im Werkzeug abgekühlt worden. Die
dabei erzielte Abkühlrate betrug 10 K/s. Das abgekantete
und ausgehärtete Profil erreicht eine Härte HV10 von
571. Im als 1 beigefügten Diagramm
ist für in erfindungsgemäßer Weise aus
Platinen, die aus den Stählen S1, S4, und S5 bestanden,
erzeugte Bauteile E1, E2, E3 jeweils die Dehnung A80 über
die Zugfestigkeit Rm eingetragen. Zum Vergleich sind in 1 für
zwei Bauteile, die durch konventionelles Warmpressformhärten
aus dem für diesen Zweck üblicherweise verwendeten,
C ≤ 0,2%, Si ≤ 0,4%, Mn ≤ 1,4%, P ≤ 0,025%, S ≤ 0,01%,
Cr + Mo ≤ 0,5%, Ti ≤ 0,05% und B ≤ 0,005%
(Angaben in Gew.-%) enthaltenden Stahl MBW 1500 erzeugt worden sind,
die Dehnwerte A80 über den jeweiligen Zugfestigkeitswert
Rm angeben.
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Es
zeigt sich, dass die aus dem ferritischen Stahl S1 und dem martensitischen
Stahl S4 erzeugten Bauteile E1, E2 eine den konventionell erzeugten
Bauteilen überlegene Kombination aus Dehnwert und Zugfestigkeit
besitzen, während das dritte erfindungsgemäß erzeugte
Bauteile eine bessere Zugfestigkeit bei immer noch guten Dehnwerten
aufweist. Zudem sind erfindungsgemäß erzeugte
Bauteile korrosionsbeständiger bzw. benötigen
keine zusätzlichen Korrosionsschutzbeschichtungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005008410
B3 [0007]
- - WO 2006/042931 A1 [0007]
- - WO 2006/042930 [0007]
- - DE 102006039307 B3 [0007]
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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]
- - DIN 50150 [0058]
- - DIN 50150 [0058]
- - DIN 50150 [0064]
- - DIN 10002 [0065]
- - DIN 50150 [0066]
- - DIN 10002 [0066]
- - DIN 50150 [0069]