DE102017108835A1

DE102017108835A1 - Verzinktes warmgeformtes hochfestes stahlteil mit einer durchgangsdicken-gradienten-mikrostruktur

Info

Publication number: DE102017108835A1
Application number: DE102017108835.0A
Authority: DE
Inventors: Jianfeng Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: DE102017108835B4; CN107338349B; US10385415B2; CN107338349A; US20170314089A1

Abstract

Verfahren zum Verstärken von Oberflächenbereichen von hochfestem Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) sind vorgesehen. Das Verfahren kann ein Kugelstrahlen umfassen, das mindestens einen Bereich einer freiliegenden Oberfläche einer warmgeformten pressgehärteten Komponente mit einem hochfesten Stahl aufweist. Vor dem Kugelstrahlen umfasst die Komponente eine Mikrostruktur, die ≥ etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in einer Matrix aus Martensit aufweist. Das Kugelstrahlen wird bei einer Temperatur von ≤ etwa 150 °C durchgeführt und bildet mindestens einen gehärteten Oberflächenbereich mit ≤ etwa 2 Vol.-% Austenit. Der TRIP-Stahl kann verzinkt sein und eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, die Zink aufweist und im Wesentlichen frei von Flüssigmetallversprödung (LME) ist. Zinkbeschichtete, warmgeformte, pressgehärtete Komponenten, einschließlich Automobilbauteile, die mit derartigen Verfahren hergestellt werden, sind ebenfalls bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein warmgeformtes, pressgehärtetes, hochfestes Stahlteil mit einer Durchgangsdicken-Gradienten-Mikrostruktur und Verfahren zur Herstellung einer selektiven Oberflächenhärtung, um ein warmgeformtes, pressgehärtetes hochfestes Stahlteil zu bilden.
HINTERGRUND
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Pressgehärteter Stahl (PHS) auch als „gestanzter Stahl“ bezeichnet oder „Borstahl“ (z. B. 22MnB5 Legierung), iist einer der stärksten Stähle, die für Karosseriebau-Anwendungen verwendet werden, die typischerweise Zugfestigkeitseigenschaften in der Größenordnung von etwa 1.400 Megapascal (MPa) oder höher aufweisen. Eine derartige Stahllegierung weist niedrige Manganspiegel und kein Aluminium auf und weist wünschenswerte Eigenschaften auf, einschließlich hoher Gewichtsverhältnisse. Komponenten, die aus PHS gebildet wurden, sind in verschiedenen Industriezweigen und Anwendungen weit verbreitet, einschließlich der allgemeinen Fertigungs-, Baumaschinen-, Automobil- oder andere Transportindustrien, Heim- oder Industriestrukturen und dergleichen. PHS-Komponenten werden häufig für die Herstellung von tragenden Bauteilen, wie Struktursäulen und Türbalken, verwendet, die typischerweise hochfeste Werkstoffe erfordern. Somit ist der fertige Zustand dieser Stähle so ausgelegt, dass sie eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Duktilität aufweisen, um äußeren Kräften zu widerstehen, zum Beispiel, um dem Eindringen von äußeren Objekten in den Fahrgastraum, zum Schutz der Insassen, ohne Bruch zu widerstehen zu gewähren.
Der PHS-Stahlrohling wird dann in einem Ofen austenitisiert. Die Austenitisierung wird typischerweise im Bereich von etwa 880 °C bis 950 °C durchgeführt. Der Stahlrohling kann dann durch Pressen heiß geprägt und in Matrizen abgeschreckt wird. Beim Heißprägen von PHS werden die Formgebung und die Aushärtung zu einem einzigen Arbeitsgang zusammengefasst, wobei einer von zwei Hauptarten des Prozesses sein kann: indirekt oder direkt. Nach dem direkten Verfahren wird die PHS-Komponente gleichzeitig zwischen den Formen geformt und gepresst, was den Stahl abkühlt. Die Matrizen können beispielsweise wassergekühlt sein. Im Rahmen des indirekten Verfahrens wird die PHS-Komponente vor der Austenitisierung zu einer Zwischenteilform kalt geformt und die nachfolgenden Press- und Abschreckschritte werden danach durchgeführt. Das Abschrecken der PHS-Komponente härtet die Komponente durch Umwandlung der Mikrostruktur von Austenit zu Martensit aus. Nach den typischen indirekten oder direkten PHS-Prozessen (nach dem Warmumformen und Abschrecken) ist die hochfeste PHS-Stahlmikrostruktur vorwiegend (z. B. größer als 98 %) Martensit.
PHS-Komponenten können kathodischen Schutz erfordern. Die PHS-Komponente kann vor der anwendbaren Vor-Kalt-Umformung (falls das indirekte Verfahren verwendet wird) oder Austenitisierung beschichtet werden. Die Beschichtung der PHS-Komponente stellt eine Schutzschicht für das darunterliegende Stahlbauteil bereit. Derartige Beschichtungen beinhalten typischerweise eine Aluminium-Silizium-Legierung und/oder Zink. Zinkbeschichtungen bieten kathodischen Schutz; Die Beschichtung wirkt als Opferschicht und korrodiert statt der Stahlkomponente, auch wenn der Stahl freiliegt. Jedoch kann eine flüssige Metallversprödung (LME) auftreten, wenn ein metallisches System einem flüssigen Metall, wie z. B. Zink, während des Bildens bei hoher Temperatur ausgesetzt wird, was zu einer potentiellen Rissbildung und einer Verringerung der Gesamtdehnung oder einer verminderten Duktilität eines Materials führt. LME kann auch zu einer verminderten Zugfestigkeit führen. Um LME bei herkömmlichen PHS-Prozessen zu vermeiden, werden zahlreiche weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt.
Alternative hochfeste Stahllegierungsmaterialien zur PHS-Legierung können verwendet werden, um pressgehärtete Stahlkomponenten zu bilden, wie beispielsweise das Auswählen von Stahl mit einer hochfesten Transformations-induzierten Formbarkeit (TRIP), wie zum Beispiel Delta-TRIP Stahl und mittlerer manganhaltiger TRIP-Stahl. Jedoch weisen alternative, aus derartigen ausgewählten TRIP-Stählen gebildete, hartgeformte, pressgehärtete Strukturen häufig Mikrostrukturen mit zurückgehaltenem Austenit auf und können daher keine vergleichbare Festigkeit oder Härtegrade gegenüber vergleichbaren PHS-Strukturen mit vollständig martensitischen Mikrostrukturen aufweisen. Wenn ferner derartige alternative hochfeste TRIP-Stahllegierungsmaterialien verzinkt oder galvanisiert und dann pressgehärtet werden, können sie ebenfalls unter LME leiden. Somit besteht ein ständiger Bedarf an stromlinienförmigen Prozessen zur Herstellung von hochfesten, warmgeformten, pressgehärteten Stahlkomponenten mit notwendigen Härte- und Festigkeitsniveaus, während der galvanische Schutz im Wesentlichen frei von LME ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Verstärkung von Oberflächenbereichen eines hochfesten Stahls bereit. Das Verfahren kann ein Kugelstrahlen umfassen, das mindestens eine warmgeformte pressgehärtete Komponente mit einem hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) aufweist. Der TRIP-Stahl kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus:

(i) ein Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(ii) ein Delta-TRIP-Stahl, umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Die warmgeformte pressgehärtete Komponente weist eine Mikrostruktur auf, die mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in einer Matrix aus Martensit umfasst. Das Kugelstrahlen wird bei einer Temperatur von weniger als oder gleich etwa 150 °C durchgeführt und bildet mindestens einen gehärteten Oberflächenbereich, der weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit umfasst.

In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Verstärkung von Bereichen aus verzinktem hochfestem Stahl bereit. Das Verfahren kann ein Kugelstrahlen umfassen, wobei mindestens ein Bereich einer freiliegenden Oberfläche einer verzinkten, warmgeformten, pressgehärteten Komponente, die einen hochfesten Transformations-induzierten Elastizitätsstahl (TRIP) mit einer Zink aufweisenden Oberflächenbeschichtung umfasst. Der TRIP-Stahl kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus:

(i) ein Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(ii) ein Delta-TRIP-Stahl, umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Vor dem Kugelstrahlen weist die verzinkte, warmgeformte, pressgehärtete Komponente eine Mikrostruktur auf, die mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in einer Matrix aus Martensit umfasst. Das Kugelstrahlen wird bei einer Temperatur von weniger als oder gleich etwa 150 °C durchgeführt und bildet mindestens einen gehärteten Oberflächenbereich, der weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit an der Komponente umfasst. Die Komponente ist weitgehend frei von flüssiger Metallversprödung (LME).

In noch anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine verzinkte, warmgeformte, pressgehärtete Komponente bereit. Die Komponente umfasst mindestens einen gehärteten Oberflächenbereich, der weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit und einen mittleren Bereich umfasst, der mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenen Austenit in einer Matrix aus Martensit umfasst. Die Komponente umfasst einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) mit einer Zink aufweisenden Oberflächenbeschichtung. Der TRIP-Stahl kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus:

(i) ein Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(ii) ein Delta-TRIP-Stahl, umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Die Komponente ist im Wesentlichen frei von flüssiger Metallversprödung (LME).

Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
1 zeigt ein exemplarisches Schema einer hochfesten mit einer hohen Mangan-Transformations-induzierten Plastizität (TRIP) Stahllegierungs-Mikrostruktur mit einer Matrix aus Martensit mit einer verteilten Phase von zurückgehaltenem Austenit nach dem Warmumformen und Presshärten.
2 zeigt ein vereinfachtes Querschnittsschema eines verzinkten Blechzuschnitts mit einer auf zwei Seiten vor dem Warmumformen und Presshärten aufgebrachten Korrosionsbeschichtung.
3 zeigt ein exemplarisches Schema einer warmgeformten pressgehärteten hochfesten, hohen Mangan-Transformations-induzierten Plastizität (TRIP) Stahllegierungs-Mikrostruktur, die eine Matrix aus Martensit mit einer verteilten Phase von zurückgehaltenem Austenit in einem mittleren Bereich und einer ersten Oberfläche aufweist, die selektiv gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gehärtet ist.
4 zeigt ein exemplarisches Schema einer warmgeformten pressgehärteten hochfesten, hohen Mangan-Transformations-induzierten Plastizität (TRIP) Stahllegierungs-Mikrostruktur, die eine Matrix aus Martensit mit einer verteilten Phase von zurückgehaltenem Austenit in einem mittleren Bereich und zwei unterschiedliche Oberflächen aufweist, die nach weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung selektiv gehärtet werden.
5 zeigt eine exemplarische und vereinfachte Querschnittsansicht einer Kugelstrahleinrichtung zum Kugelstrahlen einer Transformations-induzierten Plastizität-Stahllegierung (TRIP) gemäß anderen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt eine repräsentative Vorderansicht eines hochfesten Bauteils in Form einer konventionellen B-Säule für ein Kraftfahrzeug.
7 zeigt eine ausführliche perspektivische Seitenansicht eines unteren Abschnitts eines hochfesten Strukturbauteils, wie es in 6 gezeigt ist und zwei getrennte oberflächengehärtete Bereiche aufweist, die in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausgebildet sind.
Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie z. B. Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für das Verstehen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst,“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus.“ Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Ausdrücke erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, ein Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“, und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein nachstehend diskutierter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hierin zur besseren Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hier verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 %.
Wie hierin verwendet, sind alle Mengen Gew.-% (oder Masse %), sofern nicht anders angegeben.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Wie hierin bezeichnet, zeigt das Wort „im Wesentlichen“ bei Anwendung auf eine Charakteristik einer Zusammensetzung oder eines Verfahrens dieser Offenbarung an, dass es Änderung in der Charakteristik ohne eine wesentliche Auswirkung auf die chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Zusammensetzung oder Verfahren geben kann.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von hochfesten Komponenten aus hochfesten Stahllegierungen, wie beispielsweise Transformation induzierte Plastizitäts-Stähle (TRIP). Ein hochfester Stahl ist einer, der eine Reißfestigkeit von mehr als oder gleich etwa 1.000 Megapascal (MPa) aufweist, beispielsweise größer oder gleich etwa 1.400 MPa bis kleiner oder gleich etwa 2.200 MPa. In bestimmten Aspekten umfasst die hochfeste TRIP-Stahllegierung Mangan in relativ hohen Mengen, beispielsweise bei mehr als oder gleich etwa 4 % Masse oder Gewicht der Gesamtfestigkeit der hochfesten TRIP-Stahllegierungszusammensetzung. Eine derartig hochfeste TRIP-Stahllegierung mit Mangan in einer Nennmenge von über 4 Gew.-% kann als eine hochfeste hochmanganumwandlungsinduzierte Plastizität (TRIP) Stahllegierungsmikrostruktur oder Mn-TRIP-Stahl angesehen werden. In bestimmten Variationen kann die Mn-TRIP-Stahllegierung Mangan in größer oder gleich etwa 4 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung umfassen. Die hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung kann ferner Kohlenstoff umfassen der bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% vorliegt.
In gewissen Variationen umfasst die hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung gegebenenfalls Mangan in größer oder gleich etwa 4 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung; Kohlenstoff, der bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% vorliegt; einer von mehreren der folgenden Legierungsbestandteile: Silizium, das größer oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% ist; Chrom bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-%; Titan, das bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Aluminium, das bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% vorliegt; Phosphor, der bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Schwefel, der weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% beträgt; und eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%, vorzugsweise bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, und einem Rest Eisen vorliegen.
Geeignete Variationen einer hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung können einen 7Mn-TRIP-Stahl, einen 10-Mn-TRIP-Stahl und dergleichen beinhalten. 7Mn-TRIP-Stahl weist einen nominellen Mangangehalt von etwa 7 Gew.-% der gesamten Legierungszusammensetzung auf, während 10 Mn-TRIP-Stahl einen nominellen Mangangehalt von etwa 10 Gew.-% der gesamten Legierungszusammensetzung aufweist.
Andere hochfeste TRIP-Stahllegierungen können delta-TRIP-Stahl (δ-TRIP-Stahl) beinhalten, wobei die hochfeste TRIP-Stahllegierung eine größere Aluminiumkonzentration als Silizium aufweist. So kann beispielsweise ein Delta-TRIP-Stahl die folgende Zusammensetzung aufweisen: Aluminium, das bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung vorliegt; Mangan bei größer oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung; Kohlenstoff, der bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% vorliegt; einer von mehreren der folgenden Legierungsbestandteile: Silizium, das größer oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% ist; Chrom bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-%; Titan, das bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Phosphor, der bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Schwefel, der weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% beträgt; und eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%, vorzugsweise bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, und einem Rest Eisen vorliegen.
Als nicht einschränkendes Beispiel betreffen die Verfahren der vorliegenden Offenbarung bestimmte hochfeste TRIP-Stähle, wie beispielsweise einen Mn-TRIP-Stahl, einen Delta-TRIP-Stahl und dergleichen. In gewissen Aspekten weisen derartige hochfeste TRIP-Stahllegierungen eine Mikrostruktur mit einem zurückgehaltenen Austenit auf, der in einer Primärmatrix aus Martensit nach einem Heißpräge- und/oder Presshärtungsverfahren eingebettet ist. Eine ausgewählte hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20, wie in 1 gezeigt, beinhaltet zum Beispiel eine Matrix aus Martensit 22 mit einer verteilten Phase des zurückgehaltenen Austenits 24. Die im Schema dargestellten Phasen sind lediglich repräsentativ und können unterschiedliche Morphologie/Formen, Größen und Verteilungen aufweisen. Bemerkenswerterweise weisen andere hochfeste Legierungen, wie beispielsweise pressghärteter Stahl (PHS)/Borstähle, typischerweise etwa 100 % Martensit nach dem Presshärten und Heißprägen auf. Jedoch weist die hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20 größer als oder gleich etwa 5 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Vol.-% des zurückgehaltenen Austenits 24 auf, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 8 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 12 Vol.-% und in bestimmten Aspekten etwa 10 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit.
Im Hintergrund kann die Warmverformung der ausgewählten hochfesten TRIP-Stähle, wie beispielsweise Mn-TRIP-Stahl und Delta-TRIP-Stahl, wie folgt durchgeführt werden. Ein Blech oder ein Rohling aus einer hochfester TRIP-Stahllegierung kann durch eine Warmverformung zu einer dreidimensionalen Komponente geformt werden. Eine derartige hochfeste dreidimensionale Komponente kann in eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Fahrzeug, eingebaut werden. Während die hochfesten Strukturen insbesondere zur Verwendung in Komponenten eines Kraftfahrzeugs oder für andere Fahrzeuge geeignet sind (z. B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Wohn- und Campingmobile und Panzer), können sie aber auch in einer Vielzahl von anderen Industriezweigen und Anwendungen, darunter Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Büroausrüstung und Möbel, industrielle Anlagen und Maschinen, Landmaschinen oder schwere Maschinen verwendet werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Nicht einschränkende Beispiele für Komponenten und Fahrzeuge, die mit der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Automobile, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohn- und Campingmobile sowie Panzer. Andere exemplarische Rahmenstrukturen, die mittels der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Gebäude, wie Wohn- und Bürogebäude, Brücken, Schuppen, Lagerhallen und Geräte. Das hochfeste Kraftfahrzeugbauteil kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Kipphebel, Stützpfeiler, A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, D-Säulen, Stoßfänger, Scharniersäulen, Querträger, Karosseriebleche, Fahrzeugtüren, Dächer, Hauben, Kofferraumdeckel, Motorschienen und Kombinationen davon in bestimmten Variationen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Blechzuschnittes 50, der aus einem Metallstock oder einer Spule in einem Stanzvorgang, beispielsweise durch Schneiden, gebildet sein kann. Der Blechrohling 50 beinhaltet eine Hauptbasisschicht 52, die aus einem hochfesten TRIP-Stahl gebildet ist, wie die zuvor vorstehend erläuterten Zusammensetzungen. Eine erste Überzugsschicht 54 kann auf einer ersten Seite 56 der Hauptbasisschicht 52 ausgebildet sein, während eine zweite Überzugsschicht 58 auf einer zweiten gegenüberliegenden Seite 60 der Hauptbasisschicht 52 ausgebildet sein kann. Während sowohl auf der ersten als auch der zweiten Seite 56, 60 der Hauptbasisschicht 52 gezeigt, können die erste Überzugsschicht 54 und die zweite Überzugsschicht 58 wahlweise von einer oder beiden Seiten weggelassen werden. In bestimmten Aspekten umfassen die erste Überzugsschicht 54 und die zweite Überzugsschicht 58 Zink, zum Beispiel können derartige Beschichtungen Zink oder eine Legierung aus Zink sein und somit überwiegend Zink bei mehr als etwa 90 % umfassen. Es sollte jedoch erkannt werden, dass die Zusammensetzung der ersten Überzugsschicht 54 und der zweiten Überzugsschicht 58 nicht darauf beschränkt ist, Zink zu umfassen, sondern kann ferner zusätzliche Elemente beinhalten. Der Blechrohling 50 durchläuft somit den Warmverformprozess, um eine dreidimensional geformte Komponente bereitzustellen.
Während des Warmverformens kann der Blechrohling in einen Ofen oder eine andere Wärmequelle eingebracht werden. Die auf den Blechzuschnitt aufgebrachte Wärmemenge erwärmt und tränkt den Blechzuschnitt auf eine Temperatur von mindestens der Austenitisierungstemperatur des ausgewählten hochfesten TRIP-Stahls. Bei bestimmten Aspekten weist der hochfeste TRIP-Stahl eine Austenitisierungstemperatur (T₁) von höher oder gleich etwa 750 °C bis kleiner oder gleich etwa 850 °C auf, wahlweise weniger als oder gleich etwa 782 °C in bestimmten Variationen. Eine derartige Austenitisierungstemperatur liegt weit unter derer für typische PHS/Borstähle, bei denen die Temperatur im Allgemeinen mindestens etwa 880 °C bis 950 °C beträgt. Wie weiter unten beschrieben wird, kann der Blechzuschnitt in bestimmten Aspekten eine Oberflächenschicht aufweisen, die für den Korrosionsschutz Zink aufweist. Zink weist eine Schmelztemperatur 420 ºC auf und beginnt bei 782 ºC mit Eisen über eine Eutektoidreaktion zu reagieren und bildet eine spröde Phase, die zu einer flüssigen Metallversprödung (LME) führt. Wenn die Temperaturen günstig sind (z. B. über 782 °C in einem hochfesten Mn-TRIP-Stahl) günstig sind und das Zink ein flüssiges Metall ist, kann das Zink während der Verformungsprozesse frisch exponierte Korngrenzen (der Phase im Substrat) benetzen und eine Abkohäsion/Trennung entlang der Korngrenze verursachen. Das Zink greift somit Korngrenzen an, insbesondere dort, wo Austenit vorhanden ist, was unerwünschterweise mit LME zur Rissbildung führen kann. Der Blechrohling wird für einen ausreichenden Zeitraum durchtränkt, um den hochfesten TRIP-Stahl auf einen gewünschten Pegel zu austenitisieren.
Nach dem Verlassen des Ofens kann der Blechrohling in eine Stanzpresse übertragen werden. Die Stanzpresse kann eine Matrize mit einem Kühlsystem oder Mechanismus aufweisen. Die Form(en) kann beispielsweise ein Wasserkühlsystem aufweisen, das in der Technik gut bekannt ist. Die Matrize ist so entworfen, dass um eine gewünschte endgültige dreidimensionale Form der Komponente aus dem austenitisierten Blechrohling zu bilden. Die Matrize kann eine erste Formdüse und eine zweite Formdüse beinhalten, die zusammengebracht werden, um die gewünschte Endform der dreidimensionalen Komponente dazwischen zu bilden.
Die gekühlten Matrizen können somit den geformten Blechrohling kontrolliert über Oberflächen der gebildeten Komponente abschrecken, um eine Phasentransformation von Austenit zu Martensit zu bewirken. Daher können die erste und die zweite Matrize zusammenwirken, um als Wärmesenke zu dienen, wobei Wärme von der geformten Komponente abgeleitet und anderweitig abgekühlt wird. In bestimmten Variationen weist der hochfeste TRIP-Stahl eine kritische Abkühlrate auf, welche die langsamste Abkühlrate ist, um einen gehärteten martensitischen Zustand von mehr als etwa 70 Vol.-% in der Komponente zu erzeugen. In einem Aspekt ist die kritische Abkühlrate für den hochfesten TRIP-Stahl nicht größer als etwa 10 Kelvin/Sekunde (K/s). Es sollte jedoch erkannt werden, dass hochfester TRIP-Stahl niedrigere kritische Abkühlraten aufweisen kann, wie beispielsweise 1 K/s. Die ausgewählten hochfesten TRIP-Stähle der vorliegenden Offenbarung reduzieren nicht nur die Austenitisierungstemperatur stark, sondern verschieben auch die ferritischen und perlitischen Transformationskurven des kontinuierlich abkühlenden Transformations-Diagramms (CCT) nach rechts, sodass die kritische Abkühlrate kann langsamer sein kann. Die untere kritische Abkühlrate verbessert die Härtbarkeit des TRIP-Stahls und macht die Verarbeitungsbedingungen weniger anspruchsvoll. Die untere kritische Abkühlrate weist zum Beispiel folgende Auswirkung auf die Formgebung auf: (i) weniger Bedarf an komplexen Kühlkanälen, (ii) weniger Empfindlichkeit zum Wiederholen des Werkzeugs und/oder (iii) geringerer Bedarf an Gleichmäßigkeit der Abkühlrate. Allerdings kann die Matrize immer noch so schnell wie möglich abgekühlt werden, um die Verarbeitung durchzuführen.
Wie vorstehend erwähnt, wird während des Warmverformens der dreidimensionalen Komponente die Temperatur des Blechrohlings wünschenswerterweise unter etwa 782 ºC gehalten, um zu vermeiden, dass eine Zink-Eisen (ZnFe) Phase/Verbindung zu vermeiden, die Zink aus den Überzugsschichten (die erste Überzugsschicht 54 und die zweite Überzugsschicht 58 im Blechrohling 50 aus 2) abbaut. Auf diese Weise kann LME, wie vorstehend beschrieben, deutlich reduziert oder beseitigt werden. Als solches führt eine erhöhte Zinkkonzentration auf der warmverformten Komponente zu einem verbesserten Korrosionsschutz.
Dementsprechend ist bei den Variationen, bei denen das Ausgangsmaterial ein- oder beidseitig eine Zinkbeschichtung aufweist, die pressgehärtete Komponente im Wesentlichen frei von Flüssigmetallversprödung ist. Die Zinkbeschichtung kann durch herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Feuerverzinken, aufgebracht werden. Der Begriff „im Wesentlichen frei” wie hierin erwähnt, bedeutet, dass die LME-Mikrostrukturen und -defekte in dem Ausmaß fehlen, dass unerwünschte physikalische Eigenschaften und Einschränkungen, die mit ihrer Anwesenheit verbunden sind, minimiert oder vermieden werden (z. B. Rissbildung, Verlust der Duktilität und/oder Festigkeitsverlust). In bestimmten Ausführungsformen umfasst eine PHS-Komponente, die „im Wesentlichen frei“ von LME-Defekten ist, weniger als etwa 5 Gew.-% der LME-Spezies oder Defekte, bevorzugt sind weniger als etwa 4 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 3 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 2 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 1 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 0,5 Gew.-% und in bestimmten Ausführungsformen 0 Gew.-% Der LME-Spezies oder -defekte.
Es ist somit ein Verfahren zum Presshärten einer hochfesten TRIP-Stahllegierung vorgesehen, bei dem ein Rohling mit einer verzinkten hochfesten TRIP-Stahllegierung hergestellt wird. Der Rohling wird auf eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa 782 °C erwärmt, um die zinkbeschichtete Stahllegierung teilweise austenit zu machen. Der Rohling wird dann gehärtet und in einer Matrize abgeschreckt, um eine pressgehärtete Komponente mit einer mehrphasigen Mikrostruktur zu bilden, wie beispielsweise die exemplarische Mikrostruktur 20, die in 1 ausgebildet ist. Während der zurückgehaltene Austenit 26 in der Martensitmatrix 24 eine größere Duktilität und/oder Energieabsorption bereitstellt, verringert der zurückgehaltene Austenit 26 in der Martensitmatrix 24 auch eine Härte im Vergleich zu einer vollständig martensitischen Mikrostruktur. In bestimmten Aspekten wird nach der Warmverformung/Presshärtung eine Mikrostruktur gebildet, die ein zurückgehaltenes Austenit aufweist, das bei mehr als oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 30 Vol.-% und einem Gleichgewicht von Martensit bei mehr als oder gleich etwa 70 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Vol.-% liegt. In bestimmten Variationen stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur selektiven Erhöhung der Oberflächenhärte der ausgewählten hochfesten TRIP-Stahllegierungen nach diesen Warmverformprozessen bereit.
In bestimmten Aspekten wird die Oberflächenhärte über einen Oberflächenhärtungsprozess, wie Kugelstrahlen, erhöht. Unterwerfen einer oder mehrerer Oberflächen der warmgeformten Komponente zum Kugelstrahlen oder ein anderes Oberflächenhärtungsprozess dient dazu, zurückgehaltenes Austenit nahe der Oberfläche des Teils in Martensit. Auf diese Weise wird eine Gradientenmikrostruktur durch eine Dicke des Teils gebildet, wobei die Mikrostruktur von einem hohen Volumen an Martensit, beispielsweise 98–100 % Martensit, in eine Masse des Materials übergeht, wobei die Mikrostruktur weniger Martensit aufweist, beispielsweise größer oder gleich etwa 70 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Vol.-%, wobei der Rest Austenit ist.
Wie in 3 gezeigt, weist eine warmgeformte, pressgehärtete, ausgesetzte, hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20A eine Mikrostruktur auf, die eine Matrix aus Martensit 22 mit einer verteilten Phase des zurückgehaltenen Austenits 24 beinhaltet. Die im Schema dargestellten Phasen sind lediglich repräsentativ und können unterschiedliche Morphologie/Formen, Größen und Verteilungen aufweisen. Jedoch wurde eine erste Oberfläche 26 der Legierung 20A durch Kugelstrahlen oberflächengehärtet, um eine gehärtete Schicht 30 zu bilden, die Martensit umfasst. In bestimmten Variationen liegt der Martensit in der gehärteten Schicht 30 bei größer oder gleich etwa 98 Vol.-%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 99 Vol.-%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 99,5 Vol.-%, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 99,7 Vol.-% und in bestimmten Variationen, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 99,9 Vol.-% Martensit. Anders ausgedrückt ist der zurückgehaltene Austenit in der gehärteten Schicht 30 kleiner oder gleich etwa 2 Vol.-%, gegebenenfalls kleiner oder gleich etwa 1 Vol.-%, gegebenenfalls kleiner oder gleich etwa 0,5 Volt -%, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 0,3 Vol.-%, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 0,1 Vol.-%.
Abhängig von der Art des durchgeführten Kugelstrahlens kann eine Dicke der gehärteten Schicht 30 eine Dicke von mehr als 0 % der Gesamtdicke der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20A auf weniger als oder gleich etwa 20 % der Gesamtdicke der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20A aufweisen. Wenn zum Beispiel eine Gesamtdicke der Legierung 20A 2 mm beträgt, kann die gehärtete Schicht 30 eine Dicke im Bereich von 2 % oder etwa 0,04 mm (40 μm) bis etwa 20 % oder etwa 0,4 mm (400 μm) aufweisen. Während die gesamte erste Oberfläche 26 mit einer gehärteten Schicht 30 gezeigt ist, kann die gehärtete Schicht 30 stattdessen selektiv auf bestimmte Bereiche der Oberfläche aufgebracht werden, zum Beispiel durch den Schutz von Bereichen vor der Exposition gegenüber dem Schuss beim Kugelstrahlen mit einer Maske/Schutzbarriere oder nur das Auftragen der Kugel in Richtung der ausgewählten Bereiche der Oberfläche.
Ein zentraler Bereich 32 der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20A, der größer oder gleich etwa 5 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Vol.-% des zurückgehaltenen Austenits 24 aufweist, der gegebenenfalls größer oder gleich ist etwa 8 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Vol.-% und in bestimmten Aspekten etwa 10 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in der Matrix von Martensit 22 aufweist, bleibt intakt. Wie ersichtlich ist, wird, wo beibehaltener Austenit an der ersten Oberfläche der Legierung 20A vorhanden war, dieser zumindest teilweise in Martensit umgewandelt (teilweise transformierter Austenit 28 ist in 3 gezeigt). Ein Übergangsbereich zwischen der gehärteten Schicht 30 und dem zentralen Bereich 32 kann je nach Art und Umfang des Oberflächenhärtungsprozesses auftreten.
4 zeigt eine warmgeformte, pressgehärtete, hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20B, die eine hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20A aufweist, die eine erste Oberfläche 26 aufweist, die durch Kugelstrahlen oberflächengehärtet wurde, um eine erste gehärtete Schicht 30 aus Martensit zu bilden. In dem Maße, in dem die warmgeformten, pressgehärteten, hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierungen 20A und 20B in den 3 und 4 gemeinsame Merkmale aufweisen, werden derartige Merkmale hierin der Kürze halber nicht nochmals erörtert, wenn nicht auf die neuen Aspekte der warmgeformte, pressgehärtete, hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20B Bezug genommen wird. Die hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20B weist auch eine zweite Oberfläche 34 auf, die durch Kugelstrahlen oberflächengehärtet wurde, um eine zweite gehärtete Schicht 36 zu bilden. Wie die Mikrostruktur in der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20A in 3, ist der Martensit in der ersten gehärteten Schicht 30 oder der zweiten gehärteten Schicht 36 größer oder gleich etwa 98 Vol.-%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 99 Vol.-%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 99,5 Vol.-%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 99,7 Vol.-% und in bestimmten Variationen, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 99,9 Vol.-% Martensit, dargestellt. Anders ausgedrückt ist der zurückgehaltene Austenit in der ersten gehärteten Schicht 30 oder der zweiten gehärteten Schicht 32 kleiner oder gleich etwa 2 Vol.-%, gegebenenfalls kleiner oder gleich etwa 1 Vol.-%, gegebenenfalls kleiner oder gleich etwa 0,5 Vol.-%, gegebenenfalls kleiner oder gleich etwa 0,3 Vol.-%, gegebenenfalls kleiner oder gleich etwa 0,1 Vol.-%.
Abhängig von der Art des durchgeführten Kugelstrahlens kann eine erste Dicke der gehärteten Schicht 30, wie vorstehend beschrieben sein, wobei eine Dicke von größer als 0% bis kleiner oder gleich etwa 20% der Gesamtdicke der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20B variiert. Ebenso kann eine Dicke der zweiten gehärteten Schicht 36 eine Dicke von mehr als 0 % der Gesamtdicke der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20B auf weniger als oder gleich etwa 20 % der Gesamtdicke der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20B aufweisen. Die Dicken der ersten gehärteten Schicht 30 und der zweiten gehärteten Schicht 36 können voneinander verschieden sein. Weiterhin kann eine Gesamtkumulatendicke für alle gehärteten Schichten eine Dicke von mehr als 0 % der Gesamtdicke der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20B auf weniger als oder gleich etwa 40 % der Gesamtdicke der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20B aufweisen. Auch hier können die erste gehärtete Schicht 30 und die zweite gehärtete Schicht 36 selektiv auf bestimmte vorbestimmte Bereiche entweder der ersten Oberfläche 26 oder der zweiten Oberfläche 34 anstelle der gesamten Oberfläche aufgebracht werden. Andere Oberflächen können auch nach Bedarf kugelgestrahlt werden.
Ein Kugelstrahlen wird auf einem warmgeformtem Teil verwendet, um die Oberfläche zu verformen, wobei die Oberfläche Austenit zu Martensit beibehalten hat und so eine gehärtete Oberflächenschicht bildet, während die Mikrostruktur im Kern gleich bleibt. Auf diese Weise kann die Oberfläche größere Härtegrade aufweisen, während der Kernbereich aufgrund des Vorhandenseins höherer Niveaus des zurückgehaltenen Austenits größere Duktilitäts- und/oder Energieabsorptionseigenschaften aufweist. Somit wird eine Durchgangsdicken-Gradienten-Mikrostruktur gebildet, die mehr Martensit auf der Oberfläche und weniger Martensit im Kern aufweist. Die Gradienten-Mikrostruktur kann auf ausgewählten Bereichen eines dreidimensionalen pressgehärteten Teils gebildet werden.
Eine exemplarische und vereinfachte Kugelstrahleinrichtung 80 ist in 5 dargestellt. Die Kugelstrahleinrichtung weist einen ersten Strom 82 auf, der ein unter Druck stehendes Gas, wie beispielsweise Luft, aufnimmt. Der erste Strom 82 weist eine ausreichende Geschwindigkeit auf, um eine Vielzahl von Strahlpartikel 84 zu tragen und kann somit ein Strahlstrom sein. Die Druck-, Geschwindigkeits- und Volumenströmungsrate des ersten Stroms 82 kann nach Bedarf angepasst werden, um das gewünschte Ausmaß der Kugelstrahlhärtung zu erreichen. Ein zweiter Strom 86 empfängt die Kugelstrahlen oder Strahlpartikel 84. Die Strahlpartikel 84 für ein Kugelstrahlen sind typischerweise runde oder ovale Partikel. Exemplarische Strahlpartikel 84 können einen mittleren Partikelgrößendurchmesser von größer oder gleich etwa 500 μm bis kleiner oder gleich etwa 5000 μm aufweisen. In bestimmten Variationen können Kugelstrahlmedien aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: festen Kohlendioxidpartikel (abgerundete Pellets aus Trockeneis), Stahlschrot (Stahlkugeln) und Kombinationen davon. Andere geeignete Kugelmedien zum Kugelstrahlen beinhalten diejenigen, die aus Siliciumcarbid, Wolframcarbid und dergleichen gebildet sind. In bestimmten Variationen, wird das Kugelstrahlmedium abgekühlt, um wünschenswerterweise niedrige Temperaturen während des Kugelstrahlungsprozesses aufrechtzuerhalten. Der erste Strom 82 und der zweite Strom 86 können so kombiniert werden, dass die Strahlpartikel 84 in einem Kugelstrahlstrom 96 mitgerissen und zu einer Oberfläche eines Substrats 90 getragen, um kugelgestrahlt zu werden. In bestimmten Aspekten kann ein Bereich geeigneter Geschwindigkeiten für den zweiten Kugelstrahlstrom 96 größer oder gleich etwa 10 m/s bis kleiner oder gleich etwa 500 m/s sein.
In Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden eine Vielzahl von Strahlpartikeln 84 von einer Düse 92 an einem ausgewählten Bereich 96 einer Oberfläche des Substrats 90 mitgerissen und abgeschossen. Das Kugelstrahlen bewirkt eine Umwandlung des metastabilen zurückgehaltenen Austenits zu Martensit durch die Anwendung mechanischer Energie über Kaltbearbeitung, um damit die Phasenumwandlung und Oberflächenhärtung zu erleichtern. In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird die Oberfläche des Substrats bei einer Temperatur von weniger als oder gleich etwa 150 °C, wahlweise kleiner oder gleich etwa 100 °C während des gesamten Kugelstrahlungsprozesses gehalten. Eine durchschnittliche statistische Oberflächenbedeckung während des Kugelstrahlens kann von größer oder gleich etwa 200 % bis weniger als oder gleich etwa 1000 % reichen.
Eine nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelte Mikrostruktur kann ein warmgeformtes pressgehärtetes Teil mit verbesserter Biegebeständigkeit aufweisen, indem die Festigkeit in der Nähe der Oberfläche erhöht wird, wobei zusätzliches Martensit durch Kugelstrahlen erzeugt wird. Weiterhin kann der Kugelstrahlprozess die Risiken der Mikrorissausbreitung der Zinkbeschichtung in der pressgehärteten Komponente durch die Einführung von Druckrestspannung an der Oberfläche nach dem Kugelstrahlen mildern. Dementsprechend kann das Kugelstrahlen einer pressgehärteten Komponente die Funktionsfähigkeit eines warmgeformten Stahlbauteils (verzinkt oder blank) verbessern, wie beispielsweise die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit und die Auswirkungen unter Gebrauchslast (insbesondere Biegebelastungen).
In bestimmten Aspekten wird eine Gradientenmikrostruktur durch eine Dicke einer zinkbeschichteten Komponente erhalten, indem eine Oberflächenschicht erzeugt wird, die stärker ist als ein Kern einer durch einen Warmformprozess hergestellten. Dies kann durch einen Kugelstrahlvorgang erreicht werden, wobei der Kugelstrahl gegen eine Oberfläche eines Formteils mit einer Mikrostruktur mit Martensit und zurückgehaltenem Austenit gerichtet ist. Während des Kugelstrahlens verwandelt sich der zurückhaltende Austenit in der Nähe der Oberfläche in Martensit und erhöht somit die Festigkeit des Materials in der Nähe der Oberfläche. Die mechanische Leistung der formgehärteten Komponente ist deutlich verbessert, wie beispielsweise die Ermüdungsfestigkeit und die statische/dynamische Belastbarkeit nach dem Kugelstrahlprozess.
Bei bestimmten anderen Aspekten weisen warmgeformte Komponenten mit einer Zinkbeschichtung, die gemäß den vorliegenden Lehren gebildet wurde, eine verbesserte Korrosionsschutzleistung im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-Silizium-beschichteten, pressgehärteten Stahlkomponenten. Wie vorstehend erwähnt, liegt die Austenitisierungstemperatur unterhalb der Temperatur, bei der unerwünschte Verbindungen zwischen Zink und Eisen entstehen, wodurch die LME minimiert wird. Nach der Warmverformung schließt der Kugelstrahlprozess Mikrorisse in einer Zinkbeschichtung weiter und minimiert so das Risiko einer Rissausbreitung, die Korrosion verursachen kann. Die vorliegende Technologie ermöglicht somit zinkbeschichtete, pressgehärtete Komponenten aus hochfestem TRIP-Stahl mit verbessertem Korrosionsvermögen bei geringeren Kosten (im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-Silizium-Beschichtungen).
Die vorliegende Offenbarung stellt somit in gewissen Aspekten eine verzinkte, warmgeformte, pressgehärtete Komponente bereit. Die Komponente umfasst mindestens einen gehärteten Oberflächenbereich, der weniger als oder gleich etwa 2 Vol.-% Austenit, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit und einen mittleren Bereich umfasst, der größer als oder gleich etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in einer Matrix aus Martensit umfasst. Die Komponente umfasst einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) mit einer Zink aufweisenden Oberflächenbeschichtung. Die Komponente ist im Wesentlichen frei von flüssiger Metallversprödung (LME). Der TRIP-Stahl kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus:

(iii) einen Mn-TRIP Stahl umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(iv) einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew. % bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Jeder der zuvor bereits erläuterten TRIP-Stähle kann die verzinkte, warmgeformte, pressgehärtete Komponente bilden. Ebenso kann die Oberflächenbeschichtung Zink umfassen, wie die zuvor beschriebene.

6 zeigt eine repräsentative Vorderansicht eines hochfesten Bauteils in Form einer B-Säule 100 für ein Kraftfahrzeug. Es sollte erwähnt werden, dass die 6 und 7 repräsentative, vereinfachte Versionen der B-Säule 100 zeigen und viele zusätzliche Teile aufweisen können, die miteinander verbunden sind, um die B-Säule 100 zu bilden. Die B-Säule 100 sollte in ihrem oberen Abschnitt 102 eine extreme Festigkeit aufweisen, aber ein Gleichgewicht von Festigkeit und Duktilität in ihrem unteren Abschnitt 104. Die Kombination dieser verschiedenen Eigenschaften fördert das Knicken an einer gewünschten Position, wenn eine Kraft oder ein Aufprall auf die B-Säule 100 ausgeübt wird, die dem Sitzniveau innerhalb des Fahrzeuginnenraums entsprechen kann, um die Insassen nach dem Aufbringen der Kraft oder des Aufpralls zu schützen.
7 zeigt eine ausführliche perspektivische Seitenansicht eines unteren Teils 104 einer hochfesten Strukturkomponente B-Säule 100, wie sie in 6 dargestellt ist. Auf einer Seite 112 der B-Säule 100, in der die B-Säule 100 an einer Schiene 114 befestigt ist, sind zwei unterschiedliche oberflächengehärtete Bereiche 110 ausgebildet. Die beiden unterschiedlichen oberflächengehärteten Bereiche 110 erhöhen die Oberflächenhärte in diesen vorgewählten Bereichen und werden gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren der vorliegenden Offenbarung gebildet. Die erhöhte Oberflächenhärte in den oberflächengehärteten Bereichen 110 erhöht die Festigkeit und Härte an der Oberfläche, wobei Stöße oder Kraft aufgenommen werden kann; der mittlere Bereich der Komponente weist jedoch noch Restaustenit auf und damit eine größere Fähigkeit, Aufprallenergie zu absorbieren. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können hochfeste strukturelle Kraftfahrzeugkomponenten mit ausgewählten oberflächengehärteten Bereichen hergestellt werden, wo dies erforderlich ist. Wie vorstehend erläutert, können die hochfesten strukturellen Automobilkomponenten ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Kippschienen, Stützpfeilern, A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, D-Säulen, Stoßfänger, Scharniersäulen, Querträger, Karosseriebleche, Fahrzeugtüren, Dächer, Hauben, Kofferraumdeckel, Motorschienen und Kombinationen davon in bestimmten Varianten.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zur Verstärkung von Bereichen eines hochfesten Stahls, das Verfahren umfassend: das Kugelstrahlen mindestens eines Bereichs einer freiliegenden Oberfläche einer warmgeformten pressgehärteten Komponente, umfassend einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%, worin die warmgeformte pressgehärtete Komponente eine Mikrostruktur aufweist, die mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenen Austenit in einer Matrix aus Martensit umfasst, worin das Kugelstrahlen bei einer Temperatur von weniger als oder gleich etwa 150 °C durchgeführt wird und mindestens einen gehärteten Oberflächenbereich mit weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Kugelstrahlen eine Gradientenmikrostruktur von der freiliegenden Oberfläche zu einem Mittelbereich der warmgeformtem pressgehärteten Komponente erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Kugelstrahlen bei einer Temperatur von weniger als oder gleich etwa 100 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Kugelstrahlen mit Kugelstrahlmedien durchgeführt wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: festen Kohlendioxidpartikeln, Stahlschrot und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die warmgeformte pressgehärtete Komponente eine erste Dicke aufweist und der mindestens eine gehärtete Oberflächenbereich eine zweite Dicke aufweist, worin die zweite Dicke größer als 0,1% der Dicke der ersten Dicke und kleiner oder gleich etwa 20% der zweiten Dicke ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der hochfeste Transformations-induzierte Plastizitäts-Stahl (TRIP) ein Mn-TRIP-Stahl ist, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Silizium (Si) bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Chrom (Cr) bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Titan (Ti) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Aluminium (Al) bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Phosphor (P) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Schwefel (S) bei weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung vorliegen; und Eisenrückstände.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der hochfeste Transformations-induzierte Plastizitäts-Stahl (TRIP) ein Delta-TRIP-Stahl ist, umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.% der gesamten Stahl Zusammensetzung; Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Silizium (Si) bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Chrom (Cr) bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Titan (Ti) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Phosphor (P) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Schwefel (S) bei weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung vorliegen; und Eisenrückstände.
Verfahren nach Anspruch 1, vor dem Kugelstrahlen ferner umfassend: Erwärmen eines Rohlings mit einem hochfesten TRIP-Stahl auf eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa 782 °C, um den hochfesten TRIP-Stahl austenitisieren; und Aushärten des Rohlings in mindestens einer Matrize zum Pressen und Abschrecken des Rohlings unter Bildung der warmgeformten pressgehärteten Komponente.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der mindestens eine gehärtete Oberflächenbereich weniger als 0,5 Vol.-% Austenit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die freiliegende Oberfläche eine erste Oberfläche und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche der warmgeformten pressgehärteten Komponente umfasst, worin der mindestens eine gehärtete Oberflächenbereich die erste Oberfläche und die zweite Fläche bedeckt.