DE102017202586B3

DE102017202586B3 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem mikrolegierten Stahl

Info

Publication number: DE102017202586B3
Application number: DE102017202586.7A
Authority: DE
Inventors: Hermann Heitmann; Horst Binder
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2037-02-18

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem mikrolegierten Stahl, bevorzugt der Sorte 30MnVS6, insbesondere eines Fahrwerkbauteils für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bauteil durch Kaltumformung hergestellt und nach der Kaltumformung einer Wärmebehandlung, bevorzugt eine Stunde bei 410°C, unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem mikrolegierten Stahl, insbesondere eines Fahrwerkbauteils für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bauteil durch Kaltumformung hergestellt und das fertig kaltumgeformte Bauteil anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Daneben betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil aus mikrolegiertem Stahl.
Derartige Bauteile werden insbesondere als Kugelzapfen (auch: „Kugelbolzen” genannt) im Fahrwerksbereich von Kraftfahrzeugen verwendet.
Ein entsprechendes Verfahren ist aus der US 2010/0139816 A1 bekannt, bei dem nach dem Kaltwalzen eines mikrolegierten Stahls eine anschließende Wärmebehandlung erfolgt. Die Wärmebehandlung umfasst mehrere Erwärmungs- und Erkaltungsschritte.
Der DE 10 2006 001 628 A1 ist ein verzinktes walzhartes gewalztes Flachprodukt für den Getriebe- oder Kupplungsbau zu entnehmen.
Aus der DE 299 15 351 U1 ist es bekannt, einen Querträger als Bestandteil einer Verbundlenkerhinterachse für Kraftfahrzeuge aus einem mikrolegiertem Stahl durch Kaltumformung herzustellen. Als wesentlichen Vorteil diese Stahls wird in diesem Stand der Technik eine überflüssige Wärmebehandlung gegenüber den bisher verwendeten Vergütungsstählen herausgestellt. Trotzdem soll der so hergestellte Querträger an seinen Endbereichen biegesteif und in seinem Mittelbereich ausreichend torsionsweich sein. Hierzu ist ein weiterer Arbeitsschritt notwendig, da er in seinen Endbereichen Versteifungssicken aufweisen soll. Eine hohe Festigkeit verbunden mit einer hohen Dehnung kann jedoch mit diesem Verfahren nicht erzielt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellverfahren für ein Bauteil aus einem mikrolegierten Stahl vorzuschlagen, das neben einer hohen Festigkeit gleichzeitig eine hohe Dehnung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den von diesem abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, welche, jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander, einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Im Unterschied zum Stand der Technik wird das fertig kaltumgeformte Bauteil aus einem mikrolegiertem Stahl einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei als Wärmebehandlung ein Glühen des Bauteils für 1 Stunde durchgeführt wird. Durch die Wärmebehandlung hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass sich die Grenze für die Bruchdehnung A um mehr als 20% erhöht hat, ebenso die Streckgrenze R_p0,2 um ca. 10%. Die Zugfestigkeit R_m hat sich nicht bzw. dadurch leicht erhöht und zu höheren Dehnungswerten hin verschoben. Damit erhält man durch dieses Verfahren ein Bauteil mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hoher Dehnung. Deshalb eignet sich dieses Verfahren sehr gut für Fahrwerksbauteile von Kraftfahrzeugen, die neben einer hohen Festigkeit im Crashfall eine hohe Dehnung und damit hohe Energieaufnahme aufweisen müssen. Spröde Bauteilrisse werden damit verhindert.
Allgemein ist eine Wärmebehandlung eines Stahls nach einer Kaltumformung zur Erhöhung der Dehnung und Festigkeit bekannt. Jedoch werden mikrolegierten Stählen deshalb verwendet, weil sie als Alternative zum Vergütungsstahl bei annähernd gleichen Eigenschaften keine Wärmebehandlung erfordern.
Am besten für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist als mikrolegierter Stahl ein Stahl der Sorte 30MnVS6.
Vorteilhaft ist es, als Wärmebehandlung ein Glühen des kaltumgeformten Bauteils von ca. eine Stunde durchzuführen. Je nach Kontur des Bauteils können auch Glühzeiten von mehr oder weniger als eine Stunde angebracht sein.
Die Wärmebehandlung wird bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 250 V und 450 V durchgeführt. Besonders bevorzugt werden Temperaturen um 410 V gewählt.
Die Wärmebehandlung kann gleichzeitig mit einer Oberflächenbeschichtung des Bauteils durchgeführt werden, wenn die notwendige Beschichtungstemperatur in dem vorgenannten Temperaturbereich liegt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrwerkbauteil für ein Kraftfahrzeug, wobei das Fahrwerkbauteil aus mikrolegiertem Stahl und nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Vorteilhaft handelt es sich bei dem Fahrwerkbauteil um einen Kugelzapfen. Kugelzapfen bilden ein wesentliches Element von Kugelgelenken, die in der Fahrwerkstechnik eingesetzt werden, um zwei Fahrwerksteile (beispielsweise ein Lenkerbauteil und einen Radträger) beweglich miteinander zu verbinden. Dazu umfasst ein Kugelgelenk als wesentliche Funktionselemente ein Gelenkgehäuse und einen Kugelzapfen. Der Kugelzapfen weist dabei ein Kugelteil und Zapfenteil auf, wobei der Kugelzapfen mit seinem Kugelteil von dem Gelenkgehäuse aufgenommen wird, um diesem gegenüber dreh- und schwenkbar gelagert zu sein. Beim Betrieb im Fahrzeug sind Kugelzapfen teils sehr hoher Belastung ausgesetzt und tragen aufgrund ihrer Radführungsfunktion in hohem Maße zur Sicherheit des Fahrzeugs bei. Eine Herstellung von Kugelzapfen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet bei hoher Festigkeit eine hohe Dehnung und ist damit unter anderem in Bezug auf die Fahrzeugsicherheit als besonders vorteilhaft anzusehen.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und der abhängigen Patentansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen auf Basis von Messwert-Tabellen und zugehörigen Diagrammen die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
1–3 drei Spannungs-Dehnungs-Diagramme eines kaltumgeformten Fahrwerksbauteils aus einer ersten Charge eines Stahls der Sorte 30MnVS6,
4–6 drei weitere Spannungs-Dehnungs-Diagramme eines kaltumgeformten Fahrwerksbauteils aus einer zweiten Charge eines Stahls der Sorte 30MnVS6,
7–10 vier Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines kaltumgeformten und anschließend geglühten Fahrwerksbauteils aus einem Stahl der Sorte 30MnVS6.
In den 1 bis 3 ist jeweils ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Fahrwerksbauteils aus einer Charge eines Stahls der Sorte 30MnVS6 dargestellt. Als Fahrwerksbauteils wurde jeweils ein Kugelzapfen verwendet, der nur kaltumgeformt wurde. Gemessen wurden die Zugfestigkeit R_m, die Streckgrenze R_p0,2 und die Bruchdehnung A. Danach ergaben sich folgende Werte für die Proben aus der ersten Charge:

R_m [MPa] R_p0,2 [MPa] A [%]

Probe 1 (Fig. 1) 994 843 11

Probe 2 (Fig. 2) 979 833 11

Probe 3 (Fig. 3) 984 823 10
Die daraus resultierenden Spannungs-Dehnungs-Diagramme sind in den 1 bis 3 schematisiert dargestellt.
In den 4 bis 6 sind drei weitere Spannungs-Dehnungs-Diagramme eines nur kaltumgeformten Kugelzapfens aus einer weiteren Charge eines Stahls der Sorte 30MnVS6 dargestellt. Auch hier wurden die Zugfestigkeit R_m, die Streckgrenze R_p0,2 und die Bruchdehnung A gemessen und dann in das Diagramm eingetragen.

R_m [MPa] R_p0,2 [MPa] A [%]

Probe 4 (Fig. 4) 1034 827 12

Probe 5 (Fig. 5) 1035 833 12

Probe 6 (Fig. 6) 1068 994 11
Die Unterschiede in den Messwerten für die Zugfestigkeit und zum Teil auch in den Messwerten für die Streckgrenze liegen in der Streuung durch die unterschiedlichen Chargen begründet.
In den 7 bis 10 (Probe 7 bis Proben 10) sind Spannungs-Dehnungs-Diagramme gezeigt, die jeweils mit einem kaltumgeformten Kugelzapfen als Probe ermittelt wurden, wobei der Kugelzapfen nach der Kaltumformung bei 410 V eine Stunde lang geglüht wurde.

R_m [MPa] R_p0,2 [MPa] A [%]

Probe 7 (Fig. 7) 1017 943 13

Probe 8 (Fig. 8) 1026 943 14

Probe 9 (Fig. 9) 1042 956 13

Probe 10 (Fig. 10) 1025 940 14
Aus dem Vergleich der ungeglühten Proben 1 bis 6 mit den nach der Kaltumformung noch für eine Stunde bei 410 V geglühten Proben 7 bis 10 ist deutlich erkennbar, dass sich die Zugfestigkeit R_m – wenn überhaupt – nur marginal geändert hat, sich aber zu höheren Dehnungswerten hin verschoben hat, dass sich aber die Streckgrenze R_p0,2 die Bruchdehnung A signifikant gesteigert haben. Dies ist ein überraschendes Ergebnis.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem mikrolegierten Stahl, wobei das Bauteil durch Kaltumformung hergestellt und das kaltumgeformte Bauteil anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmebehandlung ein Glühen des Bauteils für 1 Stunde durchgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mikrolegierter Stahl für das Bauteil ein Stahl der Sorte 30MnVS6 gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zwischen 250°C und 450°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wärmebehandlung gleichzeitig eine Oberflächenbeschichtung des Bauteils durchgeführt wird.
Fahrwerkbauteil für ein Kraftfahrzeug, wobei das Fahrwerkbauteil aus mikrolegiertem Stahl und nach einem Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche hergestellt ist.
Fahrwerkbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei diesem um einen Kugelzapfen für ein Kugelgelenk handelt.