DE102019003370A1

DE102019003370A1 - Zink-Titan beschichtete Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils sowie Warmumformverfahren

Info

Publication number: DE102019003370A1
Application number: DE102019003370.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7) in einem Warmumformverfahren, bei dem die Blechplatine (6) in einem Wärmebehandlungsschritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, in einem Einlegeschritt die wärmebehandelte Blechplatine (6) in ein Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, in einem Presshärteschritt die Blechplatine (6) warmumgeformt wird und abgekühlt wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils (7), das in einem Entnahmeschritt aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird, wobei die Blechplatine (6) als Grundwerkstoff (10) einen härtbaren Stahl, insbesondere ein kohlenstoff-, bor- und/oder manganhaltiger Vergütungsstahl, mit einer beidseitigen metallischen Zunderschutzbeschichtung (11) aufweist. Erfindungsgemäß ist die metallische Zunderschutzbeschichtung (11) als eine Zink-Titan Schicht mit einer Schmelztemperatur größer 950°C ausgebildet. Die Beschichtung wirkt zusätzlich als aktiver Korrosionsschutz am fertigen Bauteil..

Description

Die Erfindung betrifft eine Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Warmumformverfahren nach dem Anspruch 7.
Warmumformstähle, wie zum Beispiel 22MnB5, weisen nach dem Warmumformprozess ein nahezu vollständiges martensitisches Gefüge mit einer nominellen Zugfestigkeit Rm von 1500MPa auf. Aktuell werden die Festigkeiten dieser Warmumformstähle durch zum Beispiel eine Erhöhung des Kohlenstoffanteils und/oder des Bohranteils im Stahl-Grundwerkstoff weiter bis auf 2000MPa gesteigert.
Eine gattungsgemäße Blechplatine wird als Ausgangsmaterial zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils in einem Warmumformverfahren verwendet, bei dem in einer Prozessabfolge die Blechplatine in einem Wärmebehandlungsschritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird. Anschließend folgt ein Einlegeschritt, bei dem die wärmebehandelte Blechplatine in ein Umformwerkzeug eingelegt wird. In einem nachfolgenden Presshärteschritt wird die Blechplatine warmumgeformt und auf eine Entnahmetemperatur abgekühlt. Im abschließenden Entnahmeschritt wird das so gefertigte Stahlblechbauteil aus dem geöffneten Umformwerkzeug entnommen.
Die noch unbehandelte Blechplatine weist als Grundwerkstoff einen härtbaren Stahl, insbesondere einen kohlenstoff-, mangan- und/oder borhaltigen Vergütungsstahl auf, der beidseitig mit einer metallischen Zunderschutzbeschichtung überzogen ist. Diese ist in gängiger Praxis eine AlSi-Beschichtung. Eine solche AISi-Beschichtung begünstigt jedoch im Wärmebehandlungsschritt einen Wasserstoff-Eintrag von der Dampfatmosphäre im Wärmebehandlungsofen in den Stahl-Grundwerkstoff, wodurch speziell Warmumformblechteile höherer Festigkeit bei Belastung spröder reagieren. Zudem bildet AISi-Beschichtung im Wärmebehandlungsschritt eine schmelzflüssige Phase, wodurch es insbesondere bei einem Rollenherdofen zu einer starken Verschmutzung der Transportrollen kommen kann.
Um die obigen Nachteile der AISi-Beschichtung zu vermeiden, kann der Warmumformprozess mit einer unbeschichteten Blechplatine durchgeführt werden. In diesem Fall bildet sich jedoch im Wärmebehandlungsschritt eine Verzunderung (das heißt eine Eisenoxidschicht), die bei der Warmumformung im Umformwerkzeug abplatzt und somit das Umformwerkzeug verunreinigt. Zudem muss die noch am Stahlblechbauteils anhaftende Zunderschicht nach Abschluss des Warmumformprozesses aufwendig zum Beispiel durch Strahlbearbeitung vom Stahlblechbauteil entfernt werden, um eine Schweißbarkeit des Bauteils zu gewährleisten.
Aus der DE 10 2005 059 614 A1 ist ein Beschichtungsmaterial zum Schutz von Stahl vor Verzunderung bekannt. Aus der DE 10 2015 118 869 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Korrosionsschutzbeschichtung bekannt. Aus der DE 20 2004 021 264 U1 ist ein gehärtetes Stahlbauteil mit Korrosionsschicht bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Blechplatine zur Herstellung eines Stahlblechbauteils in einem Warmumformprozess bereitzustellen, mit der eine im Vergleich zum Stand der Technik einfachere Prozessabfolge ermöglicht ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist die metallische Zunderschutzbeschichtung als eine Legierung aus Zink und Titan beidseitig auf der Blechplatine ausgebildet. Diese Zink-Titan Schicht hat eine Schmelztemperatur über 950°C und schmilzt deshalb im Wärmebehandlungsschritt nicht. Die Ofenverweilzeit kann gegenüber der AISi-Beschichtung erheblich verkürzt werden, da keine Diffusionsprozesse abgewartet werden müssen. Die Zink-Titan Schicht ist am warmumgeformten Bauteil im Gegensatz zu einer Eisenoxidschicht (Zunderschicht) schweißfähig. Von daher kann die Zink-Titan Schicht am fertiggestellten Stahlblechbauteils verbleiben und muss nicht entfernt werden, so dass ein Strahlbearbeitungsschritt wegfällt. Die Zink-Titan Schicht auf dem Bauteil wirkt als aktive Korrosionsschutz.
Die Zink-Titan Schicht kann zudem als eine Sperrschicht wirken, mittels der ein Wasserstoff-Eintrag während des Wärmebehandlungsschrittes in den Stahl-Grundwerkstoff verhindert oder zumindest reduziert wird. Zudem liegt der Schmelzpunkt der Zink-Titan Schicht schon ab einem Titangehalt von ca. 5% über 1000°C und damit deutlich über der Prozesstemperatur im Wärmebehandlungsofen (ca. 930°C). Daher bleibt die Zink-Titan Schicht während des Wärmebehandlungsschrittes in fester Phase, ohne aufzuschmelzen, wodurch eine Verunreinigung des Wärmebehandlungsofens verhindert wird.
Das Bauteil kann auch im Nassbereich verbaut werden, da die Zink-Titan Schicht einen guten aktiven Korrosionsschutz bietet.
In einer technischen Umsetzung kann die Zink-Titan Schicht der Blechplatine eine Schichtdicke zwischen 5µm und 14µm aufweisen. Die Zink-Titan Schicht kann als Legierung einlagig auf die Blechplatine aufgebracht sein. Der Titan Anteil der Beschichtung liegt vorzugsweise zwischen 5 und 35 % . Alternativ dazu kann die Zink-Titan Schicht mehrlagig aufgebaut werden, bei dem die Zinkschicht eine innere Schicht bildet und die Titanschicht eine äußere metallische Deckschicht ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Beschichtungssystem zweilagig aus einer inneren, galvanisch oder elektrolytisch aufgetragenen Zinkschicht und einer im Plasma-Vapour-Deposition (PVD) Verfahren erzeugten deutlich dünneren äußeren Titanschicht aufgebaut ist, wobei die Schichtdicken der inneren Zinkschicht 5-14µm und die der äußeren Titanschicht 0,5-2 µm betragen sollte. Das Ausgangsmaterial für die PVD Titan Beschichtung ist kommerziell mit den Bezeichnungen elektrolytisch verzinkt (EG), feuerverzinkt (GA) oder Zink-Magnesium (ZM) verfügbar. Die beiden Schichten legieren durch Diffusion im Wärmebehandlungsofen zu einer hochschmelzenden Zink-Titan Legierung.
Die Erfindung ist insbesondere bei der Herstellung von höherfesten oder höchstfesten Stahlblechbauteilen von Vorteil. In diesem Fall würde eine herkömmliche AISi-Beschichtung während des Wärmebehandlungsschrittes zu einem erhöhten Wasserstoff-Eintrag in den Stahl-Grundwerkstoff führen. Demgegenüber kann durch Bereitstellung der Zink-Titan Schicht der Wasserstoff-Eintrag in die Blechplatine zuverlässig reduziert werden. Die Festigkeiten von höherfesten bzw. höchstfesten Stahlblechbauteilen liegen in einem Bereich von Rm > 1550MPa, bevorzugt Rm > 1700MPa, insbesondere Rm > 1800MPa. Als Stahl-Grundwerkstoff eignet sich daher insbesondere 22MnB5, 34MnB5 oder 36MnB5.
Die mit Zink-Titan beschichtete Blechplatine kann sowohl bei einer indirekten Warmumformung als auch bei einer direkten Warmumformung eingesetzt werden. Bei der indirekten Warmumformung wird eine Schneid- und/oder Umformoperation in einem Kaltumformschritt bereits vor dem Wärmebehandlungsschritt und dem Presshärteschritt durchgeführt. Bei der direkten Warmumformung erfolgt dagegen kein Kaltumformschritt vor dem Wärmebehandlungsschritt/Presshärteschritt.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung stichpunktartig die folgenden Vorteile: Vermeidung von Zunderbildung im Ofen; kurze Verweilzeit im Ofen mit entsprechend höherer Ausbringung; keine Schutzgasatmosphäre im Ofen notwendig, keine Taupunkt-Regelung im Ofen notwendig; keine nachträgliche Wärmebehandlung im Ofen notwendig; keine Rollenverschmutzung im Ofen; ein reduzierter Wasserstoff-Eintrag im Ofen; keine Werkzeugverschmutzung durch Zunder; sehr gutes Verhalten beim Umformen im Werkzeug; gute Punktschweißbarkeit, Konzept für den Einstieg in die Festigkeitsklasse Rm 1800-2100 MPa; durch höhere Festigkeit der Bauteile ergeben sich bis zu 20% Gewichtseinsparung gegenüber den Teilen aus 22MnB5 mit AISi-Beschichtung. Im Dauernassbereich wirkt die Zink-Titan Schicht aktiv als Opfermaterial gegen unerwünschte Korrosion.
Nachfolgend sind Ausführurigsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Anlagenskizze, anhand der eine Prozessabfolge für eine direkte Warmumformung zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils veranschaulicht ist;
2 ein Materialaufbau einer für den Warmumformprozess verwendeten Blechplatine;
3 eine Ansicht entsprechend der 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
4 eine Anlageskizze zur Durchführung einer indirekten Warmumformung.

In der 1 ist grob schematisch eine Pressenanlage skizziert, anhand der zunächst die grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils 7 erläutert ist. Die Anlage weist als eine Wärmebehandlungseinrichtung einen Rollenherdofen 1, ein Umformwerkzeug 3 zur Warmumformung und Presshärtung sowie eine Nachbearbeitungsstation 5 zur Durchführung von zum Beispiel Schneidoperationen auf. Eine für den Warmumformprozess bereitgestellte Blechplatine 6 wird mittels Transfereinrichtungen 9 (durch Pfeile angedeutet) in einer Prozessabfolge zunächst in den Rollenherdofen 1, anschließend in das Umformwerkzeug 3 und dann in die Nachbearbeitungsstation 5 gefördert.
In der in 1 skizzierten Pressenanlage erfolgt eine direkte Warmumformung, bei der die noch unverformte Blechplatine 6 direkt vom Rollenherdofen 1 im Heißzustand in das Umformwerkzeug 3 gefördert wird, ohne dass vor dem Umformwerkzeug 3 eine Kaltumformung erfolgt. Im direkten Warmumformprozess gemäß der 1 wird die zunächst noch unverformte Blechplatine 6 aus einem härtbaren Stahl in den Rollenherdhofen 1 transferiert und dort in einer Wärmebehandlungsphase auf eine Prozesstemperatur oberhalb der werkzeugspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 der Blechplatine 6 erwärmt, die beispielhaft bei ca. 930°C liegen kann. Die so erwärmte Blechplatine 6 wird im Heißzustand zum Umformwerkzeug 3 transferiert und dort mit einer Einlegetemperatur in das Umformwerkzeug 3 eingelegt. Im Umformwerkzeug 3 erfolgt die Warmumformung bei gleichzeitiger Presshärtung. Das so gebildete Stahlblechbauteil 7 wird nach erfolgter Warmumformung/Presshärtung aus dem Umformwerkzeug 3 entnommen und in der Nachbearbeitungsstation 5 Schneidoperationen unterworfen.
In der 2 ist der Materialaufbau der noch unbehandelten Blechplatine 6 dargestellt. Demzufolge weist die Blechplatine 6 als Grundwerkstoff 10 einen kohlenstoff-, bor- und/oder manganhaltigen Vergütungsstahl auf, der beidseitig mit einer Zink-Titan Schicht 11 überzogen ist, deren Schichtdicke s₁ zwischen 5µm und 14µm liegt. Die Zink-Titan Schicht 11 wirkt im Wärmebehandlungsschritt als eine Zunderschutzbeschichtung. Zudem kann die Zink-Titan Schicht 11 als eine Sperrschicht wirken, mittels der während der Wärmebehandlung ein übermäßig großer Wasserstoff-Eintrag von der Ofen-Atmosphäre in den Stahl-Grundwerkstoff 10 vermieden wird.
Die Zink-Titan Schicht 11 schmilzt im Wärmebehandlungsofen 1 nicht, da der Schmelzpunkt der Legierung deutlich über 950°C liegt. Die Zink-Titan Schicht 11 ist im Gegensatz zu einer Eisenoxidschicht (Zunderschicht) punktschweißfähig. Von daher kann die Zink-Titan Schicht 11 am fertiggestellten Stahlblechbauteil 6 verbleiben und muss nicht entfernt werden.
In der 3 wird alternativ vorgeschlagen, die Titan Schicht 13 mit einer Schichtdicke s₁ im Bereich von 0,5 µm bis 2µm im PVD Verfahren auf der Zinkschicht 12 von verzinkten Stahlblech mit der Schichtdicke s2 5µm bis 14µm aufzutragen. Im Wärmebehandlungsofen legieren die beiden Schichten durch Diffusion zu einer hochschmelzenden Zink-Titan Legierung 11.
Der Stahlblech-Grundwerkstoff 10 kann ein Vergütungsstahl sein, mit dem nach dem Warmumformprozess eine Festigkeit Rm > 1500MPa erzielt wird.
In der 4 ist in einer Ansicht entsprechend der 1 eine Pressenanlage skizziert, mittels der in Abgrenzung zur 1 eine indirekte Warmumformung durchführbar ist. Dazu ist dem Rollenherdofen 1 eine Kaltumform-Station 14 vorgelagert, so dass bereits vor dem Wärmebehandlungsschritt im Rollenherdofen 1 ein Kaltumformschritt durchführbar ist. Von daher wird vor der Warmumformung die noch unverformte Blechplatine 6 zunächst in der Kaltumform-Station 14 kaltumgeformt. Anschließend wird die kaltumgeformte Blechplatine 6 in den Rollenherdofen 1 transportiert und auf eine Prozesstemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 gebracht. Im Heißzustand wird dann die Blechplatine 6 dem Umformwerkzeug 3 zugeführt, in der der Warmumformschritt und der Presshärteschritt erfolgt. Nach Entnahme aus dem Umformwerkzeug 3 erfolgt in der Nachbearbeitungsstation 5 eine Schneidoperation oder dergleichen. Alternativ zu der in der 5 gezeigten Ausführungsvariante kann die Nachbearbeitungsstation 5 gegebenenfalls ebenfalls der Wärmbehandlung vorgelagert sein, wie es durch den gestrichelten Pfeil 15 in der 5 angedeutet ist.
Bezugszeichenliste

1: Wärmebehandlungseinrichtung
3: Umformwerkzeug
5: Nachbearbeitungsstation
6: Blechplatine
7: Stahlblechbauteil
9: Transporteinrichtungen
10: Stahl-Grundwerkstoff
11: Zink-Titan Schicht
12: Zinkschicht
13: Titanschicht
14: Kaltumform-Station
15: Pfeil
s: Schichtdicken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005059614 A1 [0006]
DE 102015118869 A1 [0006]
DE 202004021264 U1 [0006]

Claims

Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7) in einem Warmumformverfahren, bei dem die Blechplatine (6) in einem Wärmebehandlungsschritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, in einem Einlegeschritt die wärmebehandelte Blechplatine (6) in ein Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, in einem Presshärteschritt die Blechplatine (6) warmumgeformt wird und abgekühlt wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils (7), das in einem Entnahmeschritt aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird, wobei die Blechplatine (6) als Grundwerkstoff (10) einen härtbaren Stahl, insbesondere ein kohlenstoff-, bor- und/oder manganhaltiger Vergütungsstahl, mit einer beidseitigen metallischen Zunderschutzbeschichtung (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Zunderschutzbeschichtung (11) als eine Zink-Titan Schicht ausgebildet ist.
Blechplatine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zink-Titan Schicht (11) eine Schichtdicke (s₁) zwischen 5µm und 14µm aufweist, vorzugsweise nicht größer als 10 µm.
Blechplatine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zink-Titan Schicht (11) Bestandteil eines Beschichtungssystems ist, bei dem die verzinktes Blech eine innere Deckschicht (12) bildet, die mit einer weiteren äußeren metallischen Deckschicht (13) aus Titan überdeckt ist.
Blechplatine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Wärmebehandlungseinrichtung (1) in einem Diffusionsprozess eine hochschmelzende Zink-Titan Schicht (11) aus der Titanschicht (13) und der Zinkschicht (12) entsteht.
Stahlblechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Titanschicht (13) durch Plasma-Vapour-Deposition (PVD) erfolgt.
Stahlblechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl-Grundwerkstoff (10) einer Materialklasse zur Herstellung höchstfester Stahlblechbauteile (7) zugeordnet ist, deren Festigkeit Rm > 1550MPa, bevorzugt Rm > 1700MPa, insbesondere Rm > 1800MPa ist, und/oder dass der Stahl-Grundwerkstoff (10) insbesondere 22MnB5, 34MnB5 oder 36MnB5 ist.
Warmumformverfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7), bei dem in einer Prozessabfolge als Ausgangsmaterial eine Blechplatine (6) bereitgestellt wird, in einem Wärmebehandlungsschritt die Blechplatine (6) auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, in einem folgenden Einlegeschritt die Blechplatine (6) im Heißzustand in ein Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, in einem Presshärteschritt die Blechplatine (6) warmumgeformt wird und abgekühlt wird, und in einem Entnahmeschritt das Stahlblechbauteil (7) aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird, wobei die Blechplatine (6) als Grundwerkstoff einen härtbaren Stahl, insbesondere ein kohlenstoff-, bor- und/oder manganhaltiger Vergütungsstahl, mit einer beidseitigen metallischen Zunderschutzbeschichtung (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Zunderschutzbeschichtung (11) als eine Zink-Titan Schicht ausgebildet wird.
Warmumformverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformverfahren eine indirekte Warmumformung ist, bei der eine Schneid- und/oder Umformoperation in einem Kaltumformschritt bereits vor dem Wärmebehandlungsschritt und dem Presshärteschritt durchgeführt wird.
Warmumformverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformverfahren eine direkte Warmumformung ist, bei der eine Schneid- und/oder Umformoperation nach dem Wärmebehandlungsschritt und dem Presshärteschritt durchgeführt wird.
Stahlblechbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zink-Titan Beschichtung einen aktiven Korrosionsschutz am Einbauort des Bauteiles bietet.