DE102010003997A1

DE102010003997A1 - Verwendung einer Stahllegierung

Info

Publication number: DE102010003997A1
Application number: DE102010003997A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Dr. 31812 Giefers; Karsten 33129 Bake; Andreas Dr. 33129 Frehn
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2011-07-07
Also published as: EP2341156A1; EP2341156B1; US20110182765A1

Abstract

Es wird eine Stahlsorte für die Verwendung in einem Warmform- und Presshärteprozess vorgeschlagen, die sich in Gewichtsprozent zusammensetzt aus: C 0,15% ≤ C ≤ 0,35% Mn 0,8–2,5% Si 1,5–2,5% Cr max. 0,4% Al max. 0,1% Ni max. 0,3 B 0,0008–0,005% Ti 0,005–0,1% Nb max. 0,1% Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sowie ein warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil aus dieser Stahlsorte.

Description

Die Erfindung beschreibt die Verwendung einer Stahllegierung.
Aus der DE 24 52 486 C2 ist ein Verfahren zum Pressformen und Härten eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit bekannt, bei dem ein Stahlblech aus einem borlegierten Stahl auf über Ac₃ erwärmt und dann in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formveränderung gepresst wird und unter Verbleib in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen wird, dass ein martensitisches und/oder bainitisches feinkörniges Gefüge erzielt wird. Dieses Verfahren ist nachfolgend mit Warmformen und Presshärten gemeint. Es hat sich zum Herstellen hochfester, relativ dünner Bauteile mit komplexer Formgebung und hoher Maßhaltigkeit für Struktur- und Sicherheitsteile wie A- und B-Säulen oder Stoßfänger in der Fahrzeugindustrie bewährt. Hierbei werden typischerweise Bleche mit Dicken von 3 mm oder weniger geformt und Stähle mit einem geringen Kohlenstoffgehalt eingesetzt. Die genannte Druckschrift beschreibt eine Stahllegierung mit C < 0,4%; Silizium in einem von der Stahlherstellungsmethode abhängigen, aber im übrigen unwesentlichen Gehalt; 0,5 bis 2,0% Mn; max. 0,05% P; max. 0,05% S; 0,1 bis 0,5% Cr und/oder 0,05 bis 0,5% Mo; bis zu 0,1% Ti; 0,0005 bis 0,01% B, bis zu insgesamt 0,1% Al und gegebenenfalls Gehalte an Kupfer und Nickel bis zu je 0,2%.
Ein typischer borlegierter Stahl zum Warmformen und Härten ist beispielsweise in der DE 197 43 802 C2 offenbart. Die DE 197 43 802 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils für Kraftfahrzeugkomponenten mit Bereichen höherer Duktilität. Hierbei wird eine Platine bereitgestellt aus einer Stahllegierung, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3%; Silizium (Si) 0,1% bis 0,7%; Mangan (Mn) 1,0% bis 2,5%; Phosphor (P) maximal 0,025%; Chrom (Cr) 0,1% bis 0,8%; Molybdän (Mo) 0,1% bis 0,5%; Schwefel (S) maximal 0,01%; Titan (Ti) 0,02% bis 0,05%; Bor (B) 0,002% bis 0,005%; Aluminium (Al) 0,01% bis 0,06% und Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht. Die genannte Legierung eignet sich hervorragend zum Warmformen und Presshärten. Allerdings besteht das Legierungsgefüge im gehärteten Zustand überwiegend aus Martensit. Damit ist nicht immer genug Duktilität im Material für den jeweiligen Belastungsfall vorhanden.
Die DE 10 2005 054 847 B3 schlägt deswegen vor, ein warmgeformtes- und pressgehärtetes Strukturbauteil einzusetzen, das nach dem Warmform- und Presshärtungsprozess bei 320 bis 400 Grad Celsius wärmebehandelt worden ist. Durch diese Wärmebehandlung werden die hochfesten Eigenschaften des Bauteils gezielt beeinflusst. Die Streckgrenze R_p0,2 und die Dehnung A₅ bleiben nahezu unverändert. Lediglich die Zugfestigkeitswerte Rm werden um 100 bis 200 N/mm² reduziert. Bei der bereits zuvor offenbarten Stahlsorte, die sich in Gewichtsprozent aus Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3%, Silizium (Si) 0,1% bis 0,7%, Mangan (Mn) 1,0% bis 2,5%, Phosphor (P) maximal 0,025%, Chrom (Cr) bis 0,8%, Molybdän (Mo) bis 0,5%, Schwefel (S) maximal 0,01%, Titan (Ti) 0,02% bis 0,05%, Bor (B) 0,002% bis 0,005% und Aluminium (Al) 0,01% bis 0,06%, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen zusammensetzt, stellen sich nach der Wärmebehandlung bei 320 bis 400°C eine Zugfestigkeit Rm von 1200 bis 1400 N/mm², eine Streckgrenze R_p0,2 von 950 bis 1250 N/mm² und eine Dehnung A₅ von 6–12% ein. Der Werkstoff verfügt nach wie vor über die notwendigen hochfesten mechanischen Eigenschaften, durch die etwas geringere Zugfestigkeit Rm ist der Werkstoff aber so duktil, dass er bei entsprechender Belastung Falten wirft, anstatt zu brechen oder reißen. Der zusätzliche Anlassprozess ist jedoch wieder relativ aufwändig und teuer.
Zudem sind sogenannte TRIP-Stähle (engl. TRansformation Induced Plasticity, dt.: »umwandlungsbewirkte Plastizität«) allgemein bekannt. Hierbei handelt es sich um besonders hochfeste Stahllegierungen, die ein Mehrphasengefüge aufweisen. TRIP-Stähle sind fester und dabei gleichzeitig dehnbarer als herkömmliche Stahlsorten. Sie ermöglichen dadurch die Herstellung leichterer Bauteile bei einer vorgegebenen erforderlichen Festigkeit und Dehnbarkeit. Der TRIP-Effekt ist die besondere Martensitbildung bei Umformung. Dies bewirkt eine gleichzeitige Steigerung der Härte und Umformbarkeit bei mechanischer Umformung in der Produktherstellung oder -Verwendung. Die Ausprägung des Effekts wird hauptsächlich durch die kostengünstigen Legierungselemente Aluminium und Silizium beeinflusst. Zusätzlich können dabei wesentlich teurere Legierungselemente wie Nickel eingespart werden. Die werkstoffeigene Streckgrenze liegt höher als bei vergleichbaren Stählen, da das Silizium die Form der Mischkristallverfestigung ermöglicht. Sobald es bei der Verformung in den plastischen Bereich kommt, beginnt der metastabile kohlenstoffreiche Austenit sich verformungsinduziert in Martensit umzuwandeln. Dadurch wird der TRIP-Stahl nach der plastischen Verformung gezielt verfestigt. TRIP-Stahl wird kalt umgeformt. Kaltumgeformte Bauteile mit hoher Streckgrenze und Zugfestigkeit sind jedoch in der Komplexität der Geometrie begrenzt. Außerdem muss bei einer Kaltumformung die Rückfederung des Stahls bereits bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass im umgeformten Bereich die Restdehnung niedriger ist als im nicht umgeformten Bereich. Das Bauteil verfügt folglich über ungleichmäßige Bauteileigenschaften.
Die WO 2004/022794 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Stahls mit einem Anteil von Restaustenit im Stahlgefüge, indem ein entsprechender Stahl erwärmt wird, um Austenit zu produzieren und anschließend abgeschreckt wird, um den Austenit zumindest teilweise in Martensit umzuwandeln. Dann wird Kohlenstoff umverteilt von Martensit in den noch vorhandenen Austenit. Diese Umverteilung findet im Bereich der Martensitstarttemperatur statt. Deswegen wird der Stahl entsprechend lange in diesem Temperaturbereich gehalten oder noch mal erwärmt und anschließend gezielt abgekühlt. Die WO 2004/022794 A1 offenbart keinen borlegierten Stahl.
Die DE 10 2008 010 168 A1 beschreibt die Verwendung einer Stahlsorte zum Panzern eines Fahrzeugs, die sich ausgedrückt in Gewichtsprozent zusammensetzt aus 0,35 bis 0,55% Kohlenstoff; 0,1 bis 2,5% Silizium; 0,3 bis 2,5% Mangan; max. 0,05% Phosphor; max. 0,01% Schwefel; max. 0,08% Aluminium; max. 0,5% Kupfer; 0,1 bis 2,0% Chrom; max 3,0% Nickel; max 1,0% Molybdän; max 2,0% Kobalt; 0,001 bis 0,005% Bor; 0,01 bis 0,08 Niob; max. 0,4% Vanadium; max. 0,02% Stickstoff; max. 0,2% Titan, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Auch diese Stahlsorte wird warmgeformt. Abgesehen davon, dass diese Legierung für Panzerungzwecke eingesetzt wird, verfügt sie über einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt, der die Schweißbarkeit herabsetzt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil mit einer hohen Streckgrenze und einer hohen Zugfestigkeit, aber gleichzeitig einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Duktilität bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Stahllegierung, die sich ausgedrückt in Gewichtsprozent zusammensetzt aus:

C 0,15% ≤ C < 0,35%

Mn 0,8–2,5%

Si 1,5–2,5%

Cr max. 0,4%

Al max. 0,1%

Ni max. 0,3%

B 0,0008–0,005%

Ti 0,005–0,1%

Nb max. 0,1%
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen in einem Warmform- und Presshärteprozess gelöst. Dabei wird eine aus einem Bandmaterial abgetrennte Platine oder ein bereits vorgeformtes Bauteil auf eine Temperatur über den Ac₃ Punkt der Legierung erwärmt, so dass eine Umwandlung des Gefüges in Austenit stattfindet. Anschließend wird die Platine oder das vorgeformte Bauteil in ein zwangsgekühltes Werkzeug eingelegt, umgeformt und dabei gleichzeitig gehärtet, indem es auf eine Temperatur unterhalb etwa 200°C abgekühlt wird. Durch das Pressen im geschlossenen Werkzeug unterbleibt ein Verzug. Anschließend wird das fertige warmgeformte und pressgehärtete Bauteil dem Werkzeug entnommen. Durch die spezielle Zusammensetzung des Stahls, insbesondere die relativ große Zugabe von Silizium, entsteht beim Härten nicht nur Martensit. Stattdessen bleibt ein Teil des Austenits als Restaustenit erhalten, der bis Temperaturen von minus 100°C stabil bleibt. Das Silizium im Stahl verhindert die Karbidbildung, wodurch Kohlenstoff zur Stabilisierung des Restaustenits zur Verfügung steht. Der Restaustenit verleiht dem erfindungsgemäßen Stahl eine höhere Bruchdehnung als der klassisische borlegierte rein martensitische Warmformstahl. Zudem wird bei einer späteren Umformung, also dem Crashfall bei Struktur- und Sicherheitsbauteilen, für die warmgeformte und pressgehärtete Bauteile typischerweise eingesetzt werden, aus dem noch vorhandenen Restaustenit wieder Martensit gebildet, was den Stahl im Crashfall zusätzlich aufhärtet. Dadurch werden Zugfestigkeiten erreicht, die dem herkömmlichen Warmformstahl mit einem vergleichbaren Kohlenstoffgehalt vergleichbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat der erfindungsgemäße Stahl folgende Zusammensetzung ausgedrückt in Gewichtsprozent:

C 0,22–0,25%

Mn 1,5–1,7%

Si 1,95–2,1%

Cr max. 0,15%

Al 0,03–0,05%

Ni max. 0,2%

B 0,002–0,0035%

P max. 0,015%

S max. 0,01%

Ti 0,005–0,1%

Nb max. 0,1%

N max. 0,01%
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen. Bevorzugt ist dabei das Verhältnis von Titan zu Stickstoff 1 Ti auf 3,4 N bis 5 N. Dadurch wird genügend Stickstoff durch Titan gebunden. Nach einem Erwärmen über Ac₃ und einem Warmformen und Presshärten in einem mit Wasser indirekt gekühlten Warmformwerkzeug erreicht diese Legierungszusammensetzung eine Streckgrenze Rm > 1600 MPa, eine Zugfestigkeit R_p0,2 > 1050 MPa und eine Bruchdehnung A₅ > 10,5%. Das gehärtete Gefüge besteht aus Martensit und Restaustenit.
Durch die Anteile an Restaustenit im fertigen Bauteil erhöht sich die Bruchdehnung des Bauteils. Dabei ist ein für das Presshärten typischer, möglichst schneller und direkter Abkühlvorgang für das Erreichen des gewünschten Gefüges ausreichend.
Eine separate Kohlenstoffumverteilung muss nicht durchgeführt werden. Durch die Warmformung und Presshärtung ist nicht mit einer Rückfederung des Materials zu rechnen. Außerdem verzundert durch den hohen Silizium Anteil die Oberfläche des Bauteils bei der Erwärmung geringer als bei herkömmlichen Warmformstählen. Dadurch ist es möglich, ein warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil mit einer Oberfläche zu erzeugen, die ohne vorheriges Strahlen direkt KTL beschichtet werden kann. Außerdem ist der gehärtete Stahl durch den hohen Silizium Anteil anlassbeständiger. Die Entstehung von Karbiden beim Anlassen wird unterdrückt, so dass der Werkstoff auch noch bei 400 bis 450°C verzinkt werden kann, wobei gleichzeitig die Zugfestigkeit Rm nach wie vor > 1450 MPa erhalten bleibt. Da durch den hohen Silizium Gehalt die Ac₃ Temperatur der Legierung erhöht wird, muss auch die Erwärmungstemperatur entsprechend höher angesetzt werden. Sie muss bei einem Siliziumgehalt von 2% mindestens 960°C betragen.
Insgesamt eignet sich die erfindungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung in einem Warmform- und Presshärteprozess gut zur Erzeugung eines maßgenauen hochfesten Bauteils mit erhöhter Duktilität.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2452486 C2 [0002]
DE 19743802 C2 [0003]
DE 102005054847 B3 [0004]
WO 2004/022794 A1 [0006]
DE 102008010168 A1 [0007]

Claims

Verwendung einer Stahllegierung, die sich ausgedrückt in Gewichtsprozent zusammensetzt aus: C 0,15% ≤ C ≤ 0,35% Mn 0,8–2,5% Si 1,5–2,5% Cr max. 0,4% Al max. 0,1% Ni max. 0,3% B 0,0008–0,005% Ti 0,005–0,1% Nb max. 0,1%

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen in einem Warmform- und Presshärteprozess.
Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, eine Zusammensetzung ausgedrückt in Gewichtsprozent aus C 0,22–0,25% Mn 1,5–1,7% Si 1,95–2,1% Cr max. 0,15% Al 0,03–0,05% Ni max. 0,2% B 0,002–0,0035% P max. 0,015% S max. 0,01% Ti 0,005–0,1% Nb max. 0,1% N max. 0,01%

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen in einem Warmform- und Presshärteprozess.
Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass, das Verhältnis von Ti 3,4 N bis 5 N ist.
Warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Stahlsorte besteht, die sich in Gewichtsprozent zusammensetzt aus C 0,15% ≤ C ≤ 0,35% Mn 0,8–2,5 Si 1,5–2,5 Cr max. 0,4 Al max. 0,1 Ni max. 0,3 B 0,0008–0,005 Ti 0,005–0,1% Nb max. 0,1

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Stahlsorte besteht, die sich in Gewichtsprozent zusammensetzt aus C 0,22–0,25% Mn 1,5–1,7% Si 1,95–2,1% Cr max. 0,15% Al 0,03–0,05% Ni max. 0,2% B 0,002–0,0035% P max. 0,015% S max. 0,01% Ti 0,005–0,1% Nb max. 0,1% N max. 0,01%

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil handelt.