DE102013010024A1

DE102013010024A1 - Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils

Info

Publication number: DE102013010024A1
Application number: DE102013010024.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Muhr; Christoph Schneider; Jörg Dieter Brecht; Christoph Hahn; Jürgen Butzkamm; Hubertus Josef Steffens; Wolfgang Eberlein
Original assignee: Muhr und Bender KG
Current assignee: Muhr und Bender KG
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: DE102013010024B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, hergestellt aus flexibel gewalztem Bandmaterial aus einem härtbaren Stahlwerkstoff, umfassend: zumindest zwei Abschnitte 3, 4, 5 mit unterschiedlicher Dicke; zumindest zwei Bereiche 6, 7, 8 mit unterschiedlicher Duktilität; wobei ein erster Bereich 6 mit einer hohen Duktilität ungehärtet ist und ein zweiter Bereich 7 mit einer niedrigeren Duktilität zumindest partiell gehärtet ist; und wobei der erste Bereich 6 zumindest teilweise mit einer metallischen Beschichtung 9 beschichtet ist und der zweite Bereich 7 zumindest teilweise unbeschichtet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug aus flexibel gewalztem Bandmaterial und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils.
Aus der DE 10 2004 037 206 A1 ist eine Karosserie für ein Kraftfahrzeug bekannt, die aus Einzelelementen gefügt ist. Hierfür werden Einzelelemente aus flexibel gewalztem Blech mit längs einer Richtung variabler Blechdicke eingesetzt, bei denen die Verteilungsbreite der spezifischen Belastung über dem Einzelelement durch die Wahl der Blechdickenverteilung reduziert ist. Derartige Blechelemente mit variabler Blechdicke werden auch als Tailor Rolled Blanks (TRB) bezeichnet.
Der in der Kraftfahrzeugindustrie vorliegende Trend in Richtung Leichtbau und Insassenschutz führt zu einem vermehrten Einsatz von hoch- und höchstfesten Karosseriestählen. Im Zuge dieser Entwicklung werden insbesondere Mehrphasenstähle und Martensitphasenstähle eingesetzt. Letztere Stähle werden im Allgemeinen über ein indirektes oder direktes Warmumformverfahren zu Strukturbauteilen verarbeitet.
Üblicherweise werden Strukturbauteile für Kraftfahrzeuge mit einer Beschichtung versehen, welche das Stahlblech vor Korrosion schützen soll. Dabei gestaltet sich die Realisierung eines zuverlässigen Korrosionsschutzes gerade bei warmumgeformten Stahlwerkstoffen als schwierig. Es sind diverse Beschichtungen und Beschichtungsverfahren bekannt, die sich unter anderen dadurch unterscheiden, ob die Beschichtung vor oder nach dem Warmumformen aufgebracht wird.
Aus der DE 103 05 725 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils aus Stahl mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität bekannt. Zunächst wird aus einem beschichteten Coilmaterial eine Formplatine geschnitten. Dann wird die Beschichtung in den Bereichen, die später partiell warmgeformt oder gehärtet werden sollen, entfernt. Mit dem Verfahren lässt sich eine einteilige B-Säule mit einem beschichteten, ungehärteten Säulenfuß und einem unbeschichteten, gehärteten restlichen Bereich herstellen.
Aus der EP 2 327 805 A1 ist ein Verfahren und eine Fertigungsanlage zum Herstellen eines Blechformteils mit einer Korrosionsschutzbeschichtung bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Umformen eines Ausgangsmaterials zu einem Blechformteil, elektrolytisches Beschichten des Blechformteils zur Ausbildung der Korrosionsschutzbeschichtung und nachfolgendes Wärmebehandeln des beschichteten Blechformteils.
Ein Verfahren zur Beschichtung von Stahlbauteilen ist beispielsweise das galvanische (elektrolytische) Verzinken. Beim galvanischen Verzinken werden die Werkstücke in einen Zinkelektrolyten eingetaucht. Elektroden aus Zink wirken aufgrund ihres gegenüber dem Werkstück unedleren Metalls als „Opferanoden”. Das zu verzinkende Werkstück wirkt als Kathode, weswegen die Beschichtung auch als kathodischer Korrosionsschutz bezeichnet wird.
Zu den weiteren bekannten Beschichtungsverfahren zählen das Feuerverzinken, das Spritzverzinken durch thermisches Spritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen oder Plasmaspritzen, das Sherardisieren, das galvanische Verzinken, das elektrostatische Abscheiden von Metallpulver auf der Bauteiloberfläche oder weitere Abscheidungsverfahren aus der Gasphase (CVD).
Problematisch bei den großserientechnisch umgesetzten Beschichtungsverfahren für höchstfeste, insbesondere flexibel gewalzten Strukturbauteile ist, dass der Korrosionsschutz von vor dem Presshärten aufgebrachten Beschichtungen durch die vor und beim Presshärten auf das Beschichtungssystem einwirkende Temperatur die Eigenschaften des Bauteils und der Beschichtung nachteilig verändern. Es kann zu Lotrissigkeit und Mikrorissen im Bauteil kommen, was eine negative Auswirkung auf die Materialeigenschaften zur Folge hat. Beschichtungssysteme und Verfahren wie Flammspritzen und Sheradisieren die nach dem Presshärten aufgebracht werden weisen den großem Nachteil auf, dass die Schichtdicke große Schwankungen aufweist und die Verfahren einen großen Aufwand darstellen und damit nicht wirtschaftlich sind.
Beim vollflächigen Stückverzinken von Bauteilen aus der Flüssigphase (Feuerverzinkung) reduziert die Verzinkungstemperatur von über 420°C die Festigkeit des Bauteils. Beim elektrolytischen Stückverzinken besteht die Gefahr, dass durch den vorgeschalteten Reinigungsprozess und den galvanischen Beschichtungsprozess Wasserstoff in das Bauteil eingebracht wird. Der induzierte Wasserstoff kann bei den hohen Festigkeiten der Bauteile zu einem Werkstoffversagen führen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, das einen besonders guten Korrosionsschutz bietet und den Anforderungen an das Bauteil hinsichtlich Crashfähigkeit und Leichtbau bestmöglich gerecht wird. Die Aufgabe besteht weiter darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils vorzuschlagen.
Die Lösung besteht in einem Strukturbauteil, hergestellt aus flexibel gewalztem Bandmaterial aus einem härtbaren Stahlwerkstoff, umfassend: zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Dicke; zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlicher Duktilität; wobei ein erster Bereich mit einer hohen Duktilität eine geringere Härte hat als ein zweiter Bereich mit einer niedrigeren Duktilität, der zumindest partiell gehärtet ist; und wobei der erste Bereich zumindest teilweise mit einer metallischen Beschichtung versehen ist und der zweite Bereich zumindest teilweise unbeschichtet ist.
Ein Vorteil besteht darin, dass eine ungewünschte Wasserstoffversprödung in den Bereichen geringerer Duktilität beziehungsweise höherer Festigkeit und Härte vermieden wird. Die Beschichtung wird vorzugsweise nur in den Bereichen auf das Bauteil aufgebracht, in denen eine geringere Duktilität vorliegt. Unter Duktilität wird die Verformungsfähigkeit des Stahlwerkstoffs ohne Schädigung beziehungsweise Rissbildung verstanden. Die Duktilität kann beispielsweise anhand der Bruchdehnung beziehungsweise Brucheinschnürung im Zugversuch beurteilt werden. Eine verminderte Duktilität in Teilbereichen führt dort in vorteilhafter Weise zu einer verminderten Kantenrissanfälligkeit und verbesserten Schweißfähigkeit des Materials. Unter zumindest teilweise mit einer metallischen Beschichtung versehen ist gemeint, dass der erste Bereich teilweise, beispielsweise zu über 50% (größtenteils), oder vollständig beschichtet ist. Mit zumindest teilweise unbeschichtet ist gemeint, dass der zweite Bereich teilweise, beispielsweise zu über 50% (größtenteils), oder vollständig unbeschichtet ist, beziehungsweise, dass der zweite Bereich einen beschichteten Teilbereich aufweisen kann.
Als Werkstoff wird vorzugsweise ein manganhaltiger Stahlwerkstoff verwendet. Dieser kann noch weitere Mikrolegierungselemente beinhalten, wie beispielsweise Niob und/oder Titan, wobei der Masseanteil der genannten Mikrolegierungselemente an der Gesamtmasse vorzugsweise maximal 1000 ppm beträgt. Es können weitere Mikrolegierungselemente in geringen Masseanteilen hinzukommen, wie Bor und/oder Vanadium. Beispiele für einen verwendbaren Stahlwerkstoff sind 17MnB5, 22MnB5, 26MnB5 oder 34MnB5. Das Ausgangsmaterial (Bandmaterial) hat vorzugsweise eine Zugfestigkeit von mindestens 450 MPa und/oder von höchstens 850 MPa. Das fertig hergestellte Formteil kann zumindest in Teilbereichen eine Endzugfestigkeit von mindestens 1100 MPa, vorzugsweise mindestens 1300 MPa, besonders bevorzugt sogar von 1500 MPa aufweisen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Strukturbauteil zumindest in den beschichteten Bereichen eine Menge von maximal 0,4 ppm (Parts Per Million) diffusiblem Wasserstoff im Stahlwerkstoff auf, insbesondere von maximal 0,2 ppm, insbesondere von maximal 0,05 ppm. Durch diese Maßnahme wird das Risiko der Wasserstoffversprödung aufgrund von in den Werkstoff eindiffundierenden Wasserstoffs gering gehalten, respektive vermieden, was sich insgesamt günstig auf die Festigkeitseigenschaften des Bauteils auswirkt.
Der möglichst geringe Eintrag von ungewünschtem Wasserstoff in den Werkstoff wird durch eine Behandlung der Oberfläche vor dem Aufbringen der Beschichtung erreicht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Strukturbauteils zumindest in dem beschichteten Bereich vorher mechanisch gereinigt ist, wobei die Beschichtung auf der mechanisch gereinigten Oberfläche aufgebracht ist. Mit mechanischer Reinigung ist jede Behandlung gemeint, bei der nach dem Umformen vorhandene ungewünschte Verunreinigungen von der Oberfläche nach dem Reinigen mechanisch abgetragen sind. Vorzugsweise ist das Bauteil gestrahlt oder gebürstet, wobei für das Strahlen insbesondere Kugelstrahlen, vorzugsweise mit Stahlkugeln mit einem Kugeldurchmesser von 0,7 bis 0,9 mm, Strahlen mit Korund oder mit Trockeneis (CO2) in Frage kommen. Durch das Strahlverfahren wird eine rauere Oberfläche als im ungestrahlten Zustand erzeugt, was sich günstig auf die Hafteigenschaften der Beschichtung auswirkt. Es ist jedoch prinzipiell auch andere Formen der Reinigung der Bauteile vor dem Beschichten beziehungsweise nach dem Flexiblen Walzen denkbar, bei denen eine Menge von maximal 0,1 ppm diffusiblem Wasserstoff, insbesondere von maximal 0,05 ppm, gemessen unmittelbar vor und nach dem Reinigen, in das Bauteil eingebracht wird. Mit unmittelbar vor und nach dem Reinigen kann ein Zeitfenster von jeweils bis zu 10 min vorher beziehungsweise nachher umfasst sein, innerhalb dem der Gehalt an diffusiblem Wasserstoff im Material gemessen wird. Der Anteil an diffusiblem Wasserstoff im fertigen Bauteil beträgt vorzugsweise weniger als 0,4 ppm.
Vorzugsweise ist das Strukturbauteil umgeformt, wobei die Beschichtung auf das umgeformte Strukturbauteil aufgebracht ist. Insbesondere ist das Strukturbauteil durch Umformen einer aus Bandmaterial ausgeschnittenen Platine hergestellt, und hat nach dem Umformen eine dreidimensionale Form. Das Bauteil kann beispielsweise ein Karrosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, wie einer A-, B- oder C-Säule.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Strukturbauteil zumindest in Teilbereichen gehärtet, vorzugsweise innerhalb eines Teils des zweiten Bereichs, welcher einer geringere Duktilität hat. Das Härten des Bauteils kann beliebig erfolgen. Besonders günstig für die Großserienfertigung ist das Härten im Rahmen des Umformvorgangs, beispielsweise durch Warm umformen, respektive Presshärten.
Das fertige Bauteil hat im (duktileren) ersten Bereich vorzugsweise eine Dehngrenze von maximal 800 MPa und/oder im (weniger duktilen) zweiten Bereich eine Dehngrenze von mindestens 800 MPa. Weiter kann vorgesehen sein, dass das fertige Bauteil im (duktileren) ersten Bereich eine geringere Festigkeit aufweist als im zweiten Bereich. Dabei beträgt die Festigkeit im ersten Bereich vorzugsweise maximal 1100 MPa und/oder im zweiten Bereich mindestens 1100 MPa, insbesondere mindestens 1300 MPa, besonders bevorzugt mindestens 1500 MPa.
Das Strukturbauteil wird aus flexibel gewalztem Bandmaterial als Ausgangsmaterial hergestellt. Unter Flexiblem Walzen wird ein Walzprozess verstanden, bei dem Stahlband mit einheitlicher Dicke über der Länge zu Bandmaterial mit variabler Dicke über der Länge gewalzt wird. Die Ausgangsdicke vor dem Flexiblen Walzen kann bis zu 8 mm betragen. Als Bandmaterial für das Flexible Walzen kann Warmband oder Kaltband verwendet werden, wobei diese Begriffe im Sinne der Fachsprache zu verstehen sind. Unter Warmband wird ein Walzstahlfertigerzeugnis (Stahlband) verstanden, das durch Walzen nach vorherigem Erwärmen erzeugt wird. Mit Kaltband ist ein kaltgewalztes Stahlband (Flachstahl) gemeint, bei dem die letzte Dickenabnahme durch Walzen ohne vorhergehendes Erwärmen erfolgt. Nach dem Flexiblen Walzen kann das Bandmaterial beispielsweise eine Dicke von maximal 6,0 mm an der dicksten Stelle haben.
Durch das Flexible Walzen des Bandmaterials hat das hieraus später hergestellte Strukturbauteil Abschnitte mit unterschiedlicher Dicke. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Dicke erzeugt werden, wobei das Verhältnis einer ersten Dicke eines dünneren ersten Abschnitts zu einer zweiten Dicke eines zweiten Abschnitts kleiner 0,8, insbesondere kleiner 0,7, bevorzugt kleiner 0,6 ist. Es versteht sich jedoch, dass je nach Anforderungen an das fertige Erzeugnis prinzipiell beliebig viele Abschnitte unterschiedlicher Dicke erzeugt werden können. Dabei wird die Dicke über der Länge insbesondere so eingestellt, dass die Belastungen des Bauteils zumindest im Wesentlichen einheitlich sind, beziehungsweise Belastungsspitzen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Nach einer möglichen Ausgestaltung liegt ein erster Abschnitt geringer Dicke zumindest teilweise innerhalb des duktileren ersten Bereichs, und/oder liegt ein zweiter Abschnitt größerer Dicke zumindest teilweise innerhalb des weniger duktilen zweiten Bereichs. Die Abschnitte unterschiedlicher Blechdicke sind auf die Anforderungen an das fertige Bauteil angepasst und können insofern beliebig über der Länge des Bauteils variieren. Insofern sind auch andere Verteilungen der Abschnitte unterschiedlicher Materialdicke im Verhältnis zu den Bereichen unterschiedlicher Duktilität denkbar, wie Bereiche hoher Duktilität in einem Abschnitt großer Dicke.
Die Beschichtung umfasst vorzugsweise einen Anteil von mindestens 50 Masseprozent Zink, vorzugsweise mindestens 90 Masseprozent Zink, wobei der Zinkanteil der Beschichtung auch 100 Prozent betragen kann (Reinzinkbeschichtung).
Das Strukturbauteil kann nach einer günstigen Weiterbildung in einer Randschicht eine geringere Härte haben als in einem Kernbereich, wobei die Randschicht vorzugsweise eine um zumindest 50 HV_0,1 reduzierte Härte gegenüber dem Kernbereich hat. Die Randschichtentfestigung kann durch eine gezielte separate Wärmbehandlung erfolgen oder durch Randentkohlung. Bei der Randentkohlung vollzieht sich eine Abreicherung von Legierungsbestandteilen über der Dicke, das heißt der Anteil an Legierungsbestandteilen wie Kohlenstoff oder Mangan ist im Kernbereich größer als in der Randschicht.
Die Lösung besteht weiter in einem Verfahren zum Herstellen eines Erzeugnisses aus flexibel gewalztem Bandmaterial mit den Schritten: Flexibles Walzen eines Bandmaterials aus Stahlblech, wobei eine variable Dicke über der Länge des Bandmaterial erzeugt wird; Herausarbeiten einer Platine aus dem flexibel gewalzten Bandmaterial; Umformen der Platine zu einem Formteil; Wärmebehandeln des Formteils derart, dass erste Bereiche hoher Duktilität und geringer Härte sowie zweite Bereiche niedriger Duktilität und hoher Härte erzeugt werden; Beschichten des Formteils mit einem metallischen Beschichtungsmaterial zum Schutz gegen Korrosion derart, dass die ersten Bereiche hoher Duktilität zumindest teilweise beschichtet werden und die zweiten Bereiche niedriger Duktilität zumindest teilweise unbeschichtet bleiben.
Hiermit ergeben sich als Vorteile eine konstante Schichtdicke der Korrosionsschutzbeschichtung über der beschichteten Oberfläche des Formteils sowie ein geringes Risiko der Wasserstoffversprödung. Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bauteil geschaffen werden, das durch seine unterschiedlichen Blechdicken, Duktilitäten und Korrosionsschutzbereichen ideal an die Anforderungen hinsichtlich Leichtbau, Crasheigenschaften und Lebensdauer (Korrosionsschutz) angepasst ist. Das Formteil kann ein beliebiges Karrosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise ein Sicherheits- oder Strukturbauteil wie eine A-, B- oder C-Säule.
Nach einer möglichen Verfahrensführung erfolgt das Umformen und das Wärmebehandeln zur Erzeugung der zweiten Bereiche hoher Härte in einem Verfahrensschritt, und zwar insbesondere mittels Presshärten. Ferner können das Wärmebehandeln zur Erzeugung erster Bereiche hoher Duktilität und das Aufbringen einer metallischen Beschichtung in einem Verfahrensschritt durchgeführt werden, und zwar mittels Feuerverzinken.
Im Verfahrensschritt des Flexiblen Walzens wird Stahlband mit einer einheitlichen Dicke zu Bandmaterial mit variabler Dicke über der Länge gewalzt. Nach dem Flexiblen Walzen kann das Bandmaterial beispielsweise dicke Bereiche von weniger als 6,0 mm, insbesondere von weniger als 3,5 mm und dünne Bereiche von mindestens 1,0 mm aufweisen. Vorzugsweise ist das Verhältnis der kleinsten Materialdicke eines Abschnitts zur größten Materialdicke eines anderen Abschnitts kleiner 0,8, insbesondere kleiner 0,6, und/oder größer 0,4. Es versteht sich, dass je nach Anforderungen an das fertige Erzeugnis prinzipiell beliebig viele Abschnitte unterschiedlicher Dicke erzeugt werden können.
Als Wärmebehandlung zur Erzeugung von Bereichen unterschiedlicher Duktilität beziehungsweise unterschiedlicher Härte sind verschiedene Verfahren denkbar. Nach einer ersten Möglichkeit kann im Rahmen einer vor dem Umformen stattfindenden Wärmebehandlung ein Temperaturgradient im Werkstück erzeugt werden. Nach der Wärmebehandlung, welche beispielsweise in einem Ofen erfolgen kann, liegen dann Bereiche mit höherer und mit niedrigerer Temperatur vor. Das nachfolgende Warmumformen beziehungsweise Presshärten führt dann in den Bereichen mit höherer Temperatur zu einer größeren Duktilität, geringeren Härte beziehungsweise geringeren Festigkeit, während in den Bereichen geringerer Temperatur eine geringere Duktilität, höhere Härte beziehungsweise höhere Festigkeit erzeugt wird. Alternativ kann ein Temperaturgradient im Werkstück auch während des Transferprozesses zwischen der Wärmebehandlung und dem Umformen erzeugt werden, beispielsweise dadurch, dass Teilbereiche des vorher komplett wärmebehandelten Werkstücks vor dem Einlegen in das Umformwerkzeug abgekühlt werden. Nach einer weiteren Möglichkeit kann die Duktilität beziehungsweise Härte auch während des Umformvorgangs eingestellt werden, beispielsweise durch unterschiedliches Temperieren von Teilbereichen des Werkzeugs. Hierfür kann das Umformwerkzeug entsprechende Mittel aufweisen, wie Kanäle, durch welche ein Kühlmedium strömt. In den kühleren Bereichen des Werkzeugs wird eine höhere Festigkeit und geringere Duktilität im Formteil erzeugt; entsprechend bewirken die wärmeren Bereiche des Umformwerkzeugs die Ausbildung niedrigerer Festigkeiten und höherer Duktilität. Nach einer weiteren Möglichkeit können die Bereiche hoher Duktilität im Rahmen eines dem Umformen nachfolgenden Beschichtens erzeugt werden, insbesondere durch Feuerverzinken. Dabei führt die hohe Temperatur des flüssigen Beschichtungsmaterials in den beschichteten Bereichen zu einer Entfestigung, das heißt einer höherer Duktilität.
Vor, während oder nach der Umformung kann als integrierter oder separater Verfahrensschritt eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, mit der im Werkstück Randbereiche mit geringerer Härte als im Kernbereich erzeugt werden. Dies kann durch gezielte Randentkohlung erfolgen, bei der im Ausgangsmaterial über der Dicke eine Abreicherung von Legierungsbestandteilen erfolgt, das heißt der Anteil an Legierungsbestandteilen wie Kohlenstoff oder Mangan ist in einem Kernbereich des Bandmaterials größer als im Randbereich. Bevorzugt hat der abgereicherte Bereich eine um zumindest 50 HV_0,1 reduzierte Härte gegenüber dem Kernbereich. Die Abreicherung der Legierungselemente kann durch eine Wärmebehandlung beispielsweise im Rahmen einer Galvannealing-Behandlung oder durch Erwärmung oberhalb der AC1-Temperatur erreicht werden. Die Ausprägung der Randentkohlung wird durch die Prozessparameter im Ofen bestimmt. Dazu zählt insbesondere die Atmosphäre im Ofen, das heißt das Gasgemisch im Ofen, oder auch die Temperatur.
Der Verfahrensschritt des Beschichtens kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Nach einer ersten Verfahrensführung kann die Beschichtung galvanisch (elektrolytisch) aufgebracht werden. Hierfür werden Anoden aus dem Beschichtungsmaterial, das heißt aus reinem Zink oder aus Zink und anderen Legierungselementen verwendet, die bei Bestromung Metallionen an den Elektrolyten abgeben. Alternativ können auch formstabile Anoden zum Einsatz kommen; in diesem Fall ist das Beschichtungsmaterial bereits im Elektrolyten gelöst. Die Zinkionen und gegebenenfalls Ionen der weiteren Legierungselemente werden auf dem Formteil, das als Kathode geschaltet ist, als Atome abgeschieden und bilden die Beschichtung. Nach einer alternative Verfahrensführung kann das Beschichten auch ein Feuerverzinken umfassen, wobei das Formteil in ein Tauchbad aus geschmolzenem Beschichtungsmaterial mit einer Temperatur von mindestens 350°C, vorzugsweise mindestens 420°C, und/oder höchstens 650°C, vorzugsweise höchstens 600°C eingetaucht wird. Das Beschichtungsmaterial ist vorzugsweise wie oben ausgeführt, das heißt es hat einen Anteil von mindestens 50 Masseprozent Zink gegebenenfalls mit zusätzlichen Legierungselementen. Weitere denkbare Beschichtungsmethoden sind Flammspritzen oder chemische Gasphasenabscheidung (englisch: Chemical Vapour Deposition, CVD).
In Ergänzung kann als weiterer Verfahrensschritt vor oder nach dem Beschichten ein Wärmebehandeln des beschichteten Formteils bei einer Temperatur von mehr als 220°C, vorzugsweise von mehr als 230°C durchgeführt werden. Die Höchsttemperatur für die Wärmebehandlung liegt vorzugsweise unterhalb der AC1-Temperatur und beträgt insbesondere höchstens 400°C. Mit der Wärmebehandlung, welche auch als Effusionsglühe bezeichnet werden kann, werden Eigenspannungen im Werkstück beziehungsweise Spannungsspitzen im gehärteten Bauteil reduziert beziehungsweise die Bruchdehnung erhöht. Gleichzeitig wird durch die gewählte Temperatur die Wasserstoffeffusion beschleunigt, so dass insgesamt ein geringeres Risiko einer Wasserstoffversprödung am fertigen Erzeugnis erreicht wird. Die Wärmebehandlung kann in einem zeitlichen Rahmen von wenigen Sekunden bis zu 3 Stunden durchgeführt werden. Ferner kann die Wärmebehandlung entweder nach dem Beschichtungsprozess oder zwischen einzelnen Beschichtungsstufen stattfinden. Eine Wärmebehandlung im Anschluss an das Beschichten beschleunigt in vorteilhafter Weise die Trocknung der Bauteile und bei Verwendung hochfester Stähle werden durch Anlassen die Materialeigenschaften hinsichtlich Duktilität und Bruchdehnung verbessert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil in einer ersten Ausführungsform

A) mit markiertem duktilen Fußbereich in perspektivischer Ansicht,
B) mit markiertem beschichteten Fußbereich in perspektivischer Ansicht;
C) mit markiertem duktilen und beschichteten Fußbereich in perspektivischer Ansicht;
D) mit markiertem duktilen und beschichteten Fußbereich in Seitenansicht;

2 ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil in einer zweiten Ausführungsform

A) mit markiertem duktilen Flanschbereichen in perspektivischer Ansicht,
B) mit markiertem beschichteten Fußbereich in perspektivischer Ansicht;
C) mit markiertem duktilen Flanschbereichen und beschichteten Fußbereich in perspektivischer Ansicht;
D) mit markiertem duktilen Flanschbereichen und beschichteten Fußbereich in Seitenansicht;

3 ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil in einer zweiten Ausführungsform

A) mit markiertem duktilen Flanschbereichen in perspektivischer Ansicht,
B) mit markiertem beschichteten Fußbereich in perspektivischer Ansicht;
C) mit markiertem duktilen Flanschbereichen und beschichteten Fußbereich in perspektivischer Ansicht;
D) mit markiertem duktilen Flanschbereichen und beschichteten Fußbereich in Seitenansicht.

Die 1A) bis 1D) werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Es ist ein Strukturbauteil 2 in Form einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug gezeigt. Das Strukturbauteil 2 ist aus flexibel gewalztem Bandmaterial aus einem härtbaren Stahlwerkstoff hergestellt. Vorzugsweise wird ein manganhaltiger Stahlwerkstoff verwendet, welcher zusätzliche Mikrolegierungselemente beinhalten kann, wie beispielsweise Niob und/oder Titan, wobei die Summe dieser Mikrolegierungselemente an der Gesamtmasse maximal 1000 ppm beträgt. Es können selbstverständlich weitere Mikrolegierungselemente in geringen Masseanteilen hinzutreten, wie beispielsweise Bor und/oder Vanadium.
Das Strukturbauteil 2 hat mehrere Abschnitte 3, 4, 5 mit unterschiedlichen Blechdicken, welche durch das Flexible Walzen erzeugt werden, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird. Es versteht sich, dass die Anzahl und Ausgestaltung der Abschnitte 3, 4, 5 beliebig variieren kann und an die Anforderungen an das Strukturbauteil anzupassen sind. Vorliegend sind drei Abschnitte 3, 4, 5 vorgesehen. Dickere Abschnitte des Strukturbauteils 2 können beispielsweise eine Dicke von maximal 6,0 mm aufweisen, während dünnere Abschnitte eine Dicke von 0,7 bis 3,0 mm aufweisen können.
Das Strukturbauteil 2 hat ferner mehrere Bereiche 6, 7, 8 mit unterschiedlicher Duktilität, welche unabhängig von den Abschnitten 3, 4, 5 unterschiedlicher Dicke verteilt bzw. ausgestaltet sein können. Ein unterer Bereich 6 mit hoher Duktilität ist durch Schraffuren von links unten nach rechts oben gekennzeichnet (1A). Bereiche niedriger Duktilität können eine höhere Härte und/oder höhere Festigkeit haben, als Bereiche mit hoher Duktilität.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Fußbereich 6 des Strukturbauteils 2 mit einer höheren Duktilität gestaltet als der mittlere Bereich 7 bzw. der obere Bereich 8. Entsprechend ist die Festigkeit und Härte der oberen Bereiche 7, 8 größer als die des Fußbereichs 6. Die erhöhte Duktilität im unteren Bereich 6 führt dort in vorteilhafter Weise zu einer verminderten Kantenrissanfälligkeit und reduziert die Kerbanfälligkeit im Bereich der Schweißung.
Vorzugsweise hat das Strukturbauteil in dem mittleren Bereich 7 eine Dehngrenze von mindestens 800 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 1100 MPa, insbesondere sogar von mehr als 1500 MPa. In dem unteren Bereich 6, welcher mit dem Schweller des Kraftfahrzeugs zu verbinden ist, beispielsweise mittels Schweißen, ist vorzugsweise eine Dehngrenze von höchstens 800 MPa und eine Zugfestigkeit von weniger als 1100 MPa vorgesehen.
Im unteren Bereich 6 ist das Strukturbauteil 2 mit einer Beschichtung 9 zum Schutz vor Korrosion versehen. Die Korrosionsschutzbeschichtung ist mit Schraffuren von links oben nach rechts unten markiert (1B). Zusammen mit der Schraffur des unteren Bereichs 6 hoher Duktilität ergibt sich insgesamt die gezeigte Kreuzschraffur des fertigen Strukturbauteils 2 (1C und 1D).
Insgesamt besteht die Besonderheit des erfindungsgemäßen Strukturbauteils 2 darin, dass der untere Bereich 6, welcher eine höhere Duktilität und niedrigere Festigkeit hat als die darüber liegenden Bereiche 7, 8, mit einer Beschichtung 9 zum Schutz gegen Korrosion versehen ist, während die festeren oberen Bereiche 7, 8 unbeschichtet sind. In dem beschichteten Bereich 6, 9, welcher innerhalb des sogenannten Nassbereichs des Kraftfahrzeugs liegt, hat das Strukturbauteil 2 aufgrund der niedrigeren Festigkeit eine gute Schweißbarkeit. Gleichzeitig hat das Bauteil 2 einen guten Schutz vor Korrosion. Dabei wirkt sich die Beschichtung 9 nicht negativ auf die Versprödung des Werkstoffs aus, da dieser in dem unteren Bereich eine verhältnismäßig geringe Festigkeit beziehungsweise hohe Duktilität aufweist.
Im Folgenden wird näher auf die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils eingegangen.
Beim Flexiblen Walzen wird ein Stahlband mit einheitlicher Dicke zu Bandmaterial mit variabler Dicke über der Länge gewalzt. Insofern hat das flexibel gewalzte Bandmaterial mehrere Abschnitte unterschiedlicher Dicke, wobei das Verhältnis der Dicke eines dünneren ersten Abschnitts zur Dicke eines dickeren zweiten Abschnitts kleiner 0,8, bevorzugt kleiner 0,6 ist.
Aus dem flexibel gewalzten Bandmaterial wird dann eine Platine abgetrennt, die anschließend gereinigt und im Rahmen eines Umformprozesses zum Formteil umgeformt wird. Das fertige Formteil ist vorliegend ein Strukturbauteils 2 in Form einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug.
Das vorliegende Strukturbauteil 2 ist vor dem Umformen zumindest in dem beschichteten Bereich 9 mechanisch gereinigt, beispielsweise durch Strahlen mit Festkörpern oder durch Bürsten. Durch den mechanischen Reinigungsprozess wird die das Entstehen von diffusiblem Wasserstoff vermieden, welcher in das Material eindringen könnte, was sich insgesamt günstig auf die Festigkeitseigenschaften des Werkstücks auswirkt.
Um hohen Belastungen standzuhalten wie sie beispielsweise im Crashfall auftreten, werden die Strukturbauteile 2 in der Regel zumindest partiell gehärtet. Das Härten wird nach einem günstigen Verfahren im Rahmen des Umformens durchgeführt als sogenanntes Warm umformen, respektive Presshärten, wobei direkte und indirekte Verfahren verwendet werden können.
Zur Erzeugung der Bereiche 6, 7, 8 unterschiedlicher Duktilität sind verschiedene Verfahrensführungen denkbar, welche sich im Wesentlichen vom Zeitpunkt der Erzeugung eines Temperaturgradienten im Bauteil unterscheiden. Nach einer ersten Möglichkeit kann schon durch die Wärmebehandlung vor dem Umformen ein Temperaturgradient in der Platine erzeugt werden. Alternativ kann ein Temperaturgradient im Werkstück auch während des Transfers von der Wärmebehandlung zum Umformen erfolgen, beispielsweise durch Abkühlen von Teilbereichen des vorher komplett wärmebehandelten Werkstücks vor dem Einlegen in das Umformwerkzeug. Nach einer weiteren Möglichkeit kann die Duktilität auch während des Umformvorgangs eingestellt werden, beispielsweise durch unterschiedliches Temperieren von Teilbereichen des Werkzeugs. Für alle Verfahren gilt, dass während des Umformens in den Bereichen mit höherer Temperatur, abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit, Bereiche größerer Duktilität bei geringerer Festigkeit, oder kleinerer Duktilität bei größerer Festigkeit erzeugt werden können.
Im Rahmen des Umformvorgangs können im Werkstück Randschichten mit geringerer Härte als im Kernbereich erzeugt werden. Dies kann durch gezielte Randentkohlung erfolgen, bei der eine Abreicherung von Legierungsbestandteilen erfolgt. Das heißt, der Anteil an Legierungsbestandteilen wie Kohlenstoff oder Mangan ist in einem Kernbereich des Bandmaterials größer als in den Randschichten. Vorzugsweise haben die abgereicherten Randschichten eine um zumindest 50 HV_0,1 reduzierte Härte gegenüber dem Kernbereich. Durch diese Randentfestigung wird die Härterissgefahr reduziert.
Die verwendete Beschichtung 9 zum Schutz vor Korrosion umfasst vorzugsweise einen Anteil von mindestens 50 Masseprozent Zink, vorzugsweise mindestens 90 Masseprozent Zink, wobei auch eine Reinzinkbeschichtung denkbar ist. Zum Aufbringen der Beschichtung sind verschiedene Verfahren denkbar, wie galvanisches (elektrolytisches) Beschichten, Feuerverzinken, Flammspritzen oder chemische Gasphasenabscheidung (englisch: Chemical Vapour Deposition, CVD). Das elektrolytische Beschichten eignet sich insbesondere bei einer Verfahrensführung, bei der vorher bereits im Wege einer separaten Wärmebehandlung Bereiche niedriger Duktilität erzeugt worden sind. Diese Bereiche niedriger Duktilität können dann elektrolytisch beschichtet werden, wobei das Risiko einer Wasserstoffversprödung gering ist. Wenn im Rahmen des Umformens beziehungsweise der damit verbundenen Wärmebehandlung eine einheitliche Festigkeit im Bauteil vorliegt, eignet sich besonders das Feuerverzinken als Beschichtungsverfahren. Denn durch das Feuerverzinken, welches bei Temperaturen von 350°C bis 600°C durchgeführt wird, erfolgt ein Entfestigen des Materials in diesen beschichteten Bereichen und damit eine Erhöhung der Duktilität.
In Ergänzung kann als weiterer Verfahrensschritt vor oder nach dem Beschichten ein Wärmebehandeln des Strukturbauteils 2 durchgeführt werden, mit der die Eigenspannungen im Bauteil reduziert werden. Eine solche Wärmebehandlung, welche auch als Effusionsglühe bezeichnet wird, kann bei Temperaturen von mehr als 220°C bis maximal 600°C durchgeführt werden. Durch die gewählte Temperatur wird die Wasserstoffeffusion aus dem Werkstoff beschleunigt, so dass insgesamt eine geringere Wasserstoffversprödung am fertigen Erzeugnis erreicht wird.
Die 2A) bis 2D), welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 2 in einer zweiten Ausführungsform. Diese entspricht im wesentlichen der Ausführungsform der 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche Einzelheiten mit gleichen Bezugsziffern versehen wie in 1.
Der einzige Unterschied der Ausführungsform gemäß 2 besteht darin, dass vorliegend Flanschbereiche 11, 12, 13 (schraffiert in 2A, 2C, 2D) mit einer größeren Duktilität und einer geringeren Festigkeit gestaltet sind, als ein zentraler Bereich 14 und der untere Bereich 6 des Strukturbauteils 2. Dadurch, dass die Flanschbereiche 11, 12, 13 eine höhere Duktilität beziehungsweise geringere Festigkeit aufweisen, kann das Strukturbauteil 2 in diesem Bereichen besonders gut mit einem Anschlussbauteil der Karosserie verschweißt werden.
Die Bereiche 11, 12, 13; 6, 14 unterschiedlicher Duktilität beziehungsweise unterschiedlicher Festigkeit oder Härte lassen sich beispielsweise durch eine Wärmebehandlung, insbesondere im Rahmen eines Warmumformens oder Presshärtens erzeugen, wie oben beschrieben.
Der beschichtete untere Bereich 6 ist in 2B) schraffiert dargestellt. Die zeichnerische Kombination der duktilen Bereiche 11, 12, 13 und des beschichteten Bereichs 6 ist in den 2C) und 2D) gezeigt.
Die 3A) bis 3D), welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil 2 in einer dritten Ausführungsform. Diese entspricht einer Kombination der beiden Ausführungsformen gemäß den 1 und 2. Hinsichtlich der Gemeinsamkeiten wird insofern auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird, wobei gleiche Einzelheiten mit gleichen Bezugsziffern versehen wie in den 1 und 2.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl der Fußbereich 6 als auch die Flanschbereiche 11, 12, 13 mit einer höheren Duktilität beziehungsweise geringeren Festigkeit ausgestaltet als die restlichen Bereiche des Strukturbauteils 2. Der Vorteil eines solchen Strukturbauteils 2 besteht darin, dass es sich aufgrund der reduzierten Festigkeit der Randbereiche 11, 12, 13 gut verschweißen lässt. Gleichzeitig bietet die Beschichtung 9 im unteren Bereich 6 einen guten Schutz der B-Säule vor Korrosion.
Bezugszeichenliste

2: Strukturbauteil
3: Abschnitt
4: Abschnitt
5: Abschnitt
6: Bereich
7: Bereich
8: Bereich
9: Beschichtung
11: Flanschbereich
12: Flanschbereich
13: Flanschbereich
14: zentraler Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004037206 A1 [0002]
DE 10305725 B3 [0005]
EP 2327805 A1 [0006]

Claims

Strukturbauteil, hergestellt aus flexibel gewalztem Bandmaterial aus einem härtbaren Stahlwerkstoff, umfassend: zumindest zwei Abschnitte (3, 4, 5) mit unterschiedlicher Dicke; zumindest zwei Bereiche (6, 7, 8) mit unterschiedlicher Duktilität; wobei ein erster Bereich (6) mit einer hohen Duktilität eine geringere Härte aufweist als ein zweiter Bereich (7) mit einer niedrigeren Duktilität, der zumindest partiell gehärtet ist; und wobei der erste Bereich (6) zumindest teilweise mit einer metallischen Beschichtung (9) versehen ist und der zweite Bereich (7) zumindest teilweise unbeschichtet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9) nur innerhalb des ersten Bereichs (6) aufgebracht ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil zumindest in dem ersten Bereich (6) eine Menge von maximal 0,4 ppm diffusiblem Wasserstoff im Stahlwerkstoff aufweist.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Strukturbauteils (2) zumindest in dem ersten Bereich (6) mechanisch gereinigt ist, wobei die Beschichtung (9) auf der mechanisch gereinigten Oberfläche aufgebracht ist.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (2) umgeformt ist, wobei die Beschichtung (9) auf das umgeformte Strukturbauteil aufgebracht ist.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (6) eine erste Dehngrenze von maximal 800 MPa aufweist, und/oder dass der zweite Bereich (7) eine zweite Dehngrenze von mindestens 800 MPa aufweist.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (6) eine erste Zugfestigkeit und der zweite Bereich (7) eine zweite Zugfestigkeit aufweist, wobei die erste Zugfestigkeit kleiner ist als die zweite Zugfestigkeit.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zugfestigkeit maximal 1100 MPa und/oder dass die zweite Zugfestigkeit minimal 1100 MPa beträgt.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abschnitt (3) mit einer ersten Dicke und ein zweiter Abschnitt (4) mit einer zweiten Dicke vorgesehen ist, wobei die erste Dicke größer ist als die zweite Dicke und das Verhältnis von zweiter Dicke zu erster Dicke kleiner 0,8, insbesondere kleiner 0,7, bevorzugt kleiner 0,6 ist.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abschnitt (3) mit geringerer Dicke zumindest teilweise innerhalb des ersten Bereichs (6) hoher Duktilität liegt, und dass ein zweiter Abschnitt (4) mit größerer Dicke zumindest teilweise innerhalb des zweiten Bereichs (7) niedriger Duktilität liegt.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9) eine elektrolytisch aufgebrachte Beschichtung mit einem Masseanteil an Zink von mindestens 50% ist.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff Mangan und zumindest eines der Mikrolegierungselemente Niob oder Titan aufweist, wobei der Anteil dieser Mikrolegierungselemente an der Gesamtmasse maximal 1000 ppm beträgt.
Strukturbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Randschicht des Stahlwerkstoffs eine geringere Härte über der Dicke aufweist aufweist als ein Kernbereich, wobei der Anteil der Legierungselemente in der Randschicht geringer ist als im Kernbereich.
Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils aus flexibel gewalztem Bandmaterial mit den Schritten: Flexibles Walzen eines Bandmaterials aus Stahlblech, wobei eine variable Dicke über der Länge des Bandmaterial erzeugt wird; Herausarbeiten einer Platine aus dem flexibel gewalzten Bandmaterial; Umformen der Platine zu einem Formteil; Wärmebehandeln des Formteils derart, dass erste Bereiche (6) hoher Duktilität und zweite Bereiche (7, 8) hoher Härte erzeugt werden, Aufbringen einer metallischen Beschichtung (9) auf das Formteil zum Schutz gegen Korrosion derart, dass die ersten Bereiche (6) hoher Duktilität zumindest teilweise beschichtet werden und die zweiten Bereiche (7, 8) niedriger Duktilität zumindest teilweise unbeschichtet bleiben.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen und Wärmebehandeln zur Erzeugung zweiter Bereiche (7, 8) niedriger Duktilität und hoher Härte in einem Verfahrensschritt erfolgt, und zwar mittels Presshärten.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmebehandeln zur Erzeugung erster Bereiche (6) hoher Duktilität und das Aufbringen einer metallischen Beschichtung in einem Verfahrensschritt erfolgt, und zwar mittels Feuerverzinken.