-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Offenbarung betrifft einen Mangan-Bor-Stahl, der zum Heißprägen mit einem oder mehreren Additiven mikrolegiert und optional beschichtet ist, und ein Verfahren zum Herstellen und Verwenden von diesem.
-
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
Die Anforderungen an hohe Sicherheit, geringes Gewicht und gute Kraftstoffeffizienz haben bei der Automobilherstellung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Um alle diese Anforderungen zu erfüllen, wurden Stähle mit hoher Festigkeit bei der Herstellung von Fahrzeugkarosserien immer gängiger, um Stoßverhalten zu verbessern und gleichzeitig das Gewicht des Fahrzeugs zu verringern. Die Stähle mit hoher Festigkeit können durch Kaltprägen bei Raumtemperatur oder bei hohen Temperaturen, bei denen das Material austenitisiert wird, hergestellt werden. Der zuletzt genannte Prozess, der als Heißprägen bezeichnet wird, ist ein nicht isothermischer Formungsprozess für Metallbleche, wobei Formen und Quenchen im gleichen Schritt erfolgen. Im Vergleich zu Komponenten, die durch den Kaltprägeprozess hergestellt wurden, ist Heißprägen dazu in der Lage, Komponenten mit einer minimalen Rückfederung, reduzierter Blechdicke und hervorragenden mechanischen Eigenschaften, wie etwa hoher Festigkeit, bereitzustellen. Eine Vielfalt von pressgehärteten Stahlgüten wurden für den Heißprägeprozess gebildet.
-
KURZDARSTELLUNG
-
In mindestens einer Ausführungsform ist ein mikrolegierter Mangan-Bor-Stahl offenbart. Der mikrolegierte Mangan-Bor-Stahl beinhaltet etwa 0,25 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,5 bis 2,7 Gew.-% Mangan, etwa 0,001 bis 0,005 Gew.-% Bor, etwa 0,1 bis 0,8 Gew.-% Silicium, etwa 0,1 bis 0,6 Gew.-% Chrom, Molybdän und Nickel und etwa 0,01 bis 0,06 Gew.-% Aluminium, Niob und Titan, wobei der Rest Eisen ist und der Stahl ein mikrolegiertes Material zum Heißprägen von Automobilteilen ist. Der Stahl kann ferner bis zu etwa 0,01 Gew.-% Schwefel, Vanadium oder beides beinhalten. Der Stahl kann ferner bis zu etwa 0,01 Gew.-% Stickstoff beinhalten. Der Stahl kann außerdem bis zu etwa 0,03 Gew.-% Phosphor beinhalten. Der Stahl kann mit einer Aluminium-Silicium-Beschichtung beschichtet werden. Bei der Beschichtung kann es sich um eine AlSi10Fe3-Beschichtung handeln.
-
In einer alternativen Ausführungsform wird ein Heißprägeverfahren offenbart. Das Verfahren beinhaltet Formen einer heißgeprägten Automobilkomponente aus einem mikrolegierten Mangan-Bor-Stahlrohling, umfassend etwa 0,25 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,5 bis 2,7 Gew.-% Mangan, etwa 0,001 bis 0,005 Gew.-% Bor, etwa 0,1 bis 0,8 Gew.-% Silicium, etwa 0,1 bis 0,6 Gew.-% Chrom, Molybdän und Nickel, etwa 0,01 bis 0,06 Gew.-% Aluminium, Niob und Titan und einen Rest Reisen, durch Heißprägen, sodass die Komponente eine minimale Dehngrenze von 1400 Mpa am Ende des Heißprägeprozesses erreicht. Der mikrolegierte Mangan-Bor-Stahlrohling kann auch bis zu etwa 0,01 Gew.-% Stickstoff beinhalten. Der Rohling kann ferner bis zu etwa 0,01 Gew.-% Schwefel, Vanadium oder beides und/oder bis zu etwa 0,03 Gew.-% Phosphor beinhalten. Die heißgeprägte Komponente kann am Ende des Quenchvorgangs und vor dem Aushärten in einem Farbofen eine minimale Zugfestigkeit von etwa 1800 MPa aufweisen. Die heißgeprägte Komponente kann am Ende des Quenchvorgangs und vor dem Aushärten in einem Farbofen eine minimale Gesamtdehnung von etwa 6 % aufweisen. Der mikrolegierte Mangan-Bor-Stahl kann mit einer Aluminium-Silicium-Beschichtung beschichtet werden. Das Verfahren kann außerdem Aussetzen der heißgeprägten Komponente gegenüber erhöhten Temperaturen in einem Farbaushärtungsofen beinhalten, um die Dehngrenze über 1400 MPa hinaus zu erhöhen. Das Ende des Heißprägevorgangs beinhaltet Freigeben der Komponente nach dem Quenchvorgang.
-
In noch einer anderen Ausführungsform wird eine heißgeprägte Komponente offenbart. Die Komponente beinhaltet einen mikrolegierten Mangan-Bor-Stahl, beinhaltend etwa 0,25 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,5 bis 2,7 Gew.-% Mangan, etwa 0,001 bis 0,005 Gew.-% Bor, etwa 0,1 bis 0,8 Gew.-% Silicium, etwa 0,1 bis 0,6 Gew.-% Chrom, Molybdän und Nickel und etwa 0,01 bis 0,06 Gew.-% Aluminium, Niob und Titan, wobei der Rest Eisen ist, und aufweisend eine minimale Dehngrenze von mindestens 1400 MPa. Bei der Komponente kann es sich um ein Automobilteil in Form einer nackten Karosserie handeln. Die Komponente kann ein Seitenträger sein. Die Komponente weist an einem Ende des Heißprägens eine minimale Zugfestigkeit von etwa 1800 MPa auf. Die Komponente weist am Ende des Heißprägeprozesses an einem Ende des Heißprägens eine minimale Gesamtdehnung von etwa 6 % auf. Der mikrolegierte Mangan-Bor-Stahl kann mit einer Aluminium-Silicium-Beschichtung beschichtet werden.
-
Figurenliste
-
- 1 stellt eine beispielhafte schematische Ansicht eines Heißprägesystems und -prozesses gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
- 2 stellt eine schematische perspektivische Seitenansicht einer beispielhaften Heißprägepresse dar, die in dem in 1 dargestellten Heißprägesystem integriert ist;
- 3 zeigt eine beispielhafte Automobilkomponente, die aus dem hier offenbarten Stahl durch einen Heißprägeprozess, wie etwa den Heißprägeprozess aus 1, hergestellt wurde.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
-
Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Abmessungen oder Materialeigenschaften angeben, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen.
-
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
-
Es wird ausführlich auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung, die den Erfindern bekannt sind, Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei den offenbarten Ausführungsformen lediglich um Beispiele für die vorliegende Erfindung handelt, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Dementsprechend sind hier offenbarte konkrete Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann auf dem Gebiet die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
-
Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet impliziert, dass Gemische aus beliebigen zwei oder mehreren der Glieder der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen mit chemischen Fachbegriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt nicht zwingend chemische Interaktionen zwischen Bestandteilen des Gemisches aus, sobald sie vermischt sind. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
-
Heißprägen, auch als Heißformen oder Presshärten bezeichnet, ist ein Prozess zum Formen eines Metalls, während das Metall sehr heiß ist, normalerweise über 900 °C, und zum anschließenden Quenchen des geformten Metalls in einer geschlossenen Pressform. Heißprägen kann direkt oder indirekt sein. Der Heißprägeprozess wandelt das Metall mit geringer Zugfestigkeit in ein Metall mit sehr hoher Festigkeit von etwa 150 bis 230 Kilopfund pro Quadratzoll (KSI) um. Während eines typischen Heißprägeprozesses, der in 1 schematisch dargestellt ist, wird ein presshärtbares Material als ein Rohling 10 auf etwa 900 bis 950 °C zu einem austenitischen Zustand in der ersten Stufe der Pressenstraße oder des Heißprägesystems 22 erhitzt. Die erste Stufe dauert etwa 4 bis 10 Minuten in einem kontinuierlich beschickbaren Ofen 12. Ein Roboterübertragungssystem 14 überträgt anschließend den austenitisierten Rohling 10 zu einer Presse 16, die eine Gussformanordnung 18 aufweist. Die Übertragung dauert normalerweise weniger als 3 s. Ein Teil 20 wird in der Gussformanordnung 18 aus dem Rohling 10 geformt, während das Material sehr heiß ist. Die Rohlinge 10 werden geprägt und unter Druck für eine spezifische Zeitdauer gemäß der Blechdicke heruntergekühlt, nachdem die Ziehtiefe erreicht wurde. Während dieses Zeitraums wird das geformte Teil 20, welches auch als eine Komponente 20 bezeichnet wird, schnell gekühlt oder gequencht, indem es in einem geschlossenen Gussformhohlraum mit einem Wasserkühlsystem gehalten wird. Quenchen wird bei einer Kühlgeschwindigkeit von 50 bis 100 °C/s für ein paar Sekunden am Ende des Hubs bereitgestellt, was erfolgt, wenn die Kornstruktur des Materials vom austenitischen Zustand zu einem martensitischen Zustand umgewandelt wird. Schließlich verlässt die Komponente 20 die Heißprägelinie bei etwa 150 °C.
-
Typischerweise weist die Komponente 20 relativ hohe mechanische Eigenschaften auf: Zugfestigkeit von etwa 1.400 bis 1.600 MPa (200 bis 230 KSI) oder höher und eine Dehngrenze von etwa 1.000 bis 1.200 MPa (145 bis 175 KSI) oder höher. Die Komponente 20 kann ferner behandelt und/oder verarbeitet werden, zum Beispiel in der nackten Karosserie (body in white - BIW) integriert, mit einer oder mehreren Beschichtungen bereitgestellt, in einem Farbofen ausgehärtet oder dergleichen.
-
Der Heißprägeprozess stellt zahlreiche Vorteile gegenüber anderem Stahl mit hoher Festigkeit und fortgeschrittenen Verfahren zum Formen von Stahl mit hoher Festigkeit, wie etwa bei Kaltprägen, bereit. Einer der Vorteile besteht darin, Spannungsentlastungsfähigkeiten bereitzustellen, die Probleme lösen, wie etwa Rückfederung und Verformung, die typischerweise mit anderen Verfahren zum Formen von Stahl mit hoher Festigkeit assoziiert sind. Zusätzlich ermöglicht das Heißprägen das Formen von komplexen Teilen in einer einstufigen Gussform und in nur einem Hub. Somit können Mehrkomponentenbaugruppen neu gestaltet und als eine Komponente geformt werden, wodurch stromabwärtige Fügeprozesse, wie etwa Schweißen, eliminiert werden und der Bedarf nach zusätzlichen Teilen eliminiert wird. Dies kann wiederum die Gesamtmasse der geformten Teile reduzieren.
-
Heißgeprägte Teile 20 werden in der Automobilindustrie allgemein verwendet. Typischerweise ist Heißprägen zum Formen von Komponenten, die gleichzeitig sowohl leicht als auch stabil sein müssen, am besten geeignet. Beispielhafte Automobilkomponenten, die durch Heißprägen geformt werden, beinhalten Karosseriesäulen, Schweller, Dachrelings, Türeinstiegsholme, Trägerunterstruktur, Befestigungsplatten, vordere Tunnel, vordere und hintere Stoßfänger, Verstärkungselemente, Seitenschienen und andere Automobilteile, die erforderlich sind, um ausreichend stabil zu sein, um einer großen Last mit minimalem Eindringen in die Fahrgastzelle während eines Überschlags und Aufpralls standzuhalten. Heißprägen ermöglicht somit die Herstellung solcher Komponenten, die strukturelle Leistungsanforderungen erfüllen, während einem Fahrzeug so wenig Gewicht wie möglich hinzugefügt wird.
-
Um qualitativ hochwertige heißgeprägte Teile bereitzustellen, muss ein geeignetes Material verwendet werden. Eine Vielzahl von verschiedenen Stahlgüten zum Heißprägen wurde entwickelt, bei die Stahlgüten Usibor® 1500, Ductibor® und dergleichen. Mangan-Bor-Stahlgüten, wie etwa 22MnB5, wurden beim Heißprägen ebenfalls gängig.
-
Mangan-Bor-Stähle sind getemperte Bor-Legierungsstähle. Sie verfügen normalerweise über eine gute Formbarkeit und gute Festigkeit nach der Wärmebehandlung. Die gewünschte Festigkeit der Mangan-Bor-Stahlgüten ist zumindest teilweise auf ihren Gehalt an Kohlenstoff und Mangan und einen geringen Gehalt an Bor, was typischerweise nicht mehr als ein paar Tausendstel eines Prozents beträgt, zurückzuführen. Beispielhafte Mangan-Bor-Stähle und ihre Zusammensetzungen sind in
1 unten aufgeführt. Gewichtsprozent der einzelnen Elemente beruht auf einem Gesamtgewicht des Materials, wobei der Rest Eisen ist.
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von beispielhaften Mangan-Bor-Stählen
| Stahlgüte | C | B | Cr | Mn | Si max. | P max. | S max. |
| | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] |
| 8MnCrB3 | 0,06-0,11 | 0,0008 - 0,0040 | 0,25 - 0,5 | 0,7 - 1,00 | 0,4 | 0,025 | 0,025 |
| 17MnB3 | 0,15 - 0,18 | 0,0008 - 0,0045 | 0,15 - 0,35 | 0,6 - 0,8 | 0,4 | 0,025 | 0,025 |
| 20MnB5 | 0,17-0,23 | 0,0008 - 0,0050 | - | 1,1 - 1,4 | 0,4 | 0,025 | 0,025 |
| 22MnB5 | 0,19-0,26 | 0,0008 - 0,0050 | 0,15 - 0,35 | 1,1 - 1,4 | 0,4 | 0,025 | 0,025 |
| 30MnB5 | 0,27 - 0,33 | 0,0008 - 0,0050 | - | 1,15 - 1,45 | 0,4 | 0,025 | 0,025 |
| 37MnB5 | 0,34-0,40 | 0,0008 - 0,0050 | 0,15 - 0,35 | 0,8-1,1 | 0,4 | 0,025 | 0,025 |
| 38MnB5 | 0,36-0,42 | 0,0008 - 0,0050 | - | 1,15 - 1,45 | 0,4 | 0,025 | 0,025 |
-
Um die mechanischen Eigenschaften von bestimmten Stahlgüten weiter zu verbessern, kann das Material elektrisch galvanisiert, feuerverzinkt, geglüht oder beschichtet, beispielsweise mit einer Aluminium-Silicium-Beschichtung, werden.
-
Eine andere Technik zum Erhöhen von mindestens einigen mechanischen Eigenschaften von Stahl ist Mikrolegieren. Ein mikrolegierter Stahl ist eine Art eines Legierungsstahls mit geringem Kohlenstoffgehalt, der kleine Mengen an Legierungselementen oder Additiven enthält, wie etwa 0,05-0,15 Gew.-%, beruhend auf dem Gewichts-% des Stahlmaterials, zudem etwa 0,06 oder weniger - 0,12 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu 0,2 Gew.-% Mangan. Die Elemente, die zum Mikrolegieren verwendet werden, können Niob, Vanadium, Titan, Molybdän, Zirkonium, Bor, Seltenerdmetalle oder eine Kombination davon sein. Jedes Element, seine Menge und Gesamtzusammensetzung des Stahls kann verschiedene Eigenschaften des Stahls beeinflussen.
-
Die mikrolegierten Stähle erhalten ihre Festigkeit durch Ausscheidungshärtung. Die Elemente werden verwendet, um die Kornmikrostruktur der Stahlgüte zu optimieren, die Ausscheidungshärtung zu erleichtern, oder für beides. Konkret werden die Mikrolegierungselemente mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff kombiniert und werden ausgeschieden, um die Ferritphase zu stärken. Normalerweise weisen die mikrolegierten Stähle eine gute Schweißbarkeit und Kerbzähigkeit auf, die durch Reduzieren des Kohlenstoffgehalts weiter verbessert werden können. Andere vorteilhafte Eigenschaften beinhalten typischerweise eine gute Ermüdungsfestigkeit und eine gute Verschleißbeständigkeit, die besser als wärmebehandelte Stähle sein können. Da die mikrolegierten Stähle nicht gequencht und getempert sind, sind sie für Quenchrissbildung nicht anfällig und erfordern keine Glättung oder Spannungsentlastung.
-
Trotz des Vorhandenseins von verfügbaren Stahlgüten bleibt ein Bedarf nach einem Stahlmaterial, welches für den Heißprägeprozess geeignet ist und welches sehr hohe Festigkeitslevel mit einer Zugfestigkeit von bis zu 2000 MPa aufweisen würde. Außerdem wäre es wünschenswert, dass solch ein Material in einem herkömmlichen Heißprägeprozess verwendet werden kann, zum Beispiel, wenn ein Herstellungsplan für das Heißprägen zum Presshärten von beschichteter Stahlgüte PHS1500 AlSi10Fe3 angewandt wird, während die folgenden angezielten mechanischen Eigenschaften erfüllt werden: minimale Dehngrenze von etwa 1400 MPa, minimale Zugfestigkeit von etwa 1800 MPa und minimale Dehnung von etwa 6 % Gesamtdehnung nach dem Gussformquenchen und vorzugsweise vor dem Farbaushärtungsprozess. Zum Beispiel erfüllt die Stahlgüte 36MnB5 oder 36MnB5, beschichtet mit AlSi10Fe3, die derzeit verwendet werden, die Zieleigenschaften nicht.
-
Somit bleibt ein Bedarf nach einer Mangan-Bor-Stahlgüte, um die angezielten mechanischen Eigenschaften vor dem Farbaushärtungsprozess zu erfüllen, ohne sich auf die Wirkung des Farbaushärtungsprozesses während des Heißprägeprozesses und die Nachverarbeitung zu verlassen. Zusätzlich kann das Verwenden von Stahlgüten, wie etwa 36MnB5, zusätzliche Einschränkungen der Heißprägeparameter darstellen, wie etwa Gussformtemperatur unter 100 °C, Erhöhung der Gussformverweilzeit, Erhöhung des Gussformkontaktdrucks und/oder andere Anpassungen des Prozesses und der Ausrüstung, was zu insgesamt höheren Investitionskosten in Verbindung mit der Herstellung der heißgeprägten Teile mit Materialien, wie etwa 36MnB5, führen kann.
-
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Mangan-Bor-Legierungsstahl, der ein oder mehrere vorstehend beschriebene Probleme überwindet, offenbart. Der Mangan-Bor-Legierungsstahl kann die folgenden Elemente oder Additive, die in Tabelle 2 aufgeführt sind, beinhalten. Gewichtsprozent der einzelnen Elemente beruht auf einem Gesamtgewicht des Materials, wobei der Rest Eisen ist. Begleitelemente, die häufig bei der Stahlherstellung zu finden sind, sind akzeptabel, solange sie den Stahl nicht derartig negativ beeinflussen, dass die angezielten mechanischen Eigenschaften nicht erfüllt werden können.
Tabelle 2 - Die Mangan-Bor-Legierungsstahlzusammensetzung in Gewichtsprozent
| Element | C | Mn | Si | Cr | Mo | Ni | S |
| Menge | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-% ] | [Gew.-%] | [Gew.-%] |
| Min. | 0,25 | 0,5 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,0 |
| Max. | 0,40 | 2,7 | 0,8 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,01 |
| Element | Al | Nb | Ti | V | N | P | B |
| Menge | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] | [Gew.-%] |
| Min. | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,001 |
| Max. | 0,06 | 0,06 | 0,06 | 0,01 | 0,01 | 0,03 | 0,005 |
-
Der Kohlenstoffgehalt des Stahls kann von etwa 0,25 bis 0,4 Gew.-%, 0,8 bis 3,5 Gew.-% oder 0,3 bis 3,2 Gew.-% betragen. Geringere Mengen als etwa 0,25 Gew.-% können zu einer unzureichenden Zugfestigkeit des Stahls führen. Die Menge an Kohlenstoff über etwa 0,4 Gew.-% kann andererseits die Dehnung negativ beeinflussen.
-
Mangan kann in der Menge von etwa 0,5 bis 2,7 Gew.-%, 1 bis 2,5 Gew.-% oder 1,5 bis 2 Gew.-% vorliegen. Bor kann in der Menge von 0,001 bis 0,005 Gew.-%, 0,002 bis 0,005 Gew.-% oder 0,003 bis 0,004 Gew.-% vorliegen. Mangan kann zusammen mit Schwefel als Mangansulfid-Einschlüssen hinzugefügt werden.
-
Die Mikrolegierungselemente, wie etwa Schwefel, Vanadium und Stickstoff, können in der Menge von 0,0 bis 0,01 Gew.-%, 0,0025 bis 0,008 Gew.-% oder 0,005 bis 0,0075 Gew.-% vorliegen. Der Gehalt an Chrom, Molybdän und Nickel kann von 0,1 bis 0,6 Gew.-%, 0,2 bis 0,5 Gew.-% oder 0,3 bis 0,4 Gew.-% betragen. Der Gehalt an Aluminium, Niob und Titan kann von 0,01 bis 0,06 Gew.-%, 0,02 bis 0,05 Gew.-% oder 0,03 bis 0,04 Gew.-% betragen. Der Gehalt an Silicium kann 0,1 bis 0,8 Gew.-%, 0,2 bis 0,6 Gew.-% oder 0,4 bis 0,5 Gew.-% betragen. Der Gehalt an Phosphor kann 0,0 bis 0,3 Gew.-%, 0,05 bis 0,2 Gew.-% oder 0,075 bis 0,1 Gew.-% betragen. Vanadium, Stickstoff und Phosphor können vorhanden sein oder nicht.
-
Der offenbarte Stahl kann die Komponenten in Tabelle 2 umfassen. Alternativ kann der offenbarte Stahl aus den in Tabelle 2 aufgeführten Elementen bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen.
-
Der Fokus der Offenbarung liegt darin, einen Mangan-Bor-Stahl zu formen, der mit der Zugabe von verschiedenen Anteilen an chemischen Elementen, die in Tabelle 2 aufgeführt sind, mikrolegiert wird, sodass der legierte Stahl in eine Automobilkomponente oder ein Teil 20 durch einen Heißprägeprozess geprägt werden kann, sodass das Teil 20 eine minimale Dehngrenze von mindestens etwa 1400 MPa, etwa 1400 MPa oder 1400 MPa, eine minimale Zugfestigkeit von mindestens etwa 1800 MPa, etwa 1800 MPa oder 1800 MPa und eine minimale Dehnung von mindestens 6 %, etwa 6 % oder 6 % Gesamtdehnung direkt nach oder am Ende von einem Gussformquenchvorgang des Heißprägeprozesses ohne Beitrag des Farbaushärtungsprozesses aufweist. Der Farbaushärtungsprozess kann dem Heißprägeprozess umgehend, kurz und irgendwann, nachdem der Heißprägeprozess beendet ist, folgen.
-
Ohne die Offenbarung auf eine einzelne Theorie zu beschränken, wird angenommen, dass sowohl die Zusammensetzung als auch die Ergebnisse der thermischen Verarbeitung zu einem Material führen, welches in der Lage ist, die vorstehend aufgeführten Zielwerte zu erfüllen. Die Dehngrenze des geformten legierten Stahls erfüllt das Ziel vor dem Farbaushärten und der Beitrag der Ausscheidungsverfestigungs- und Versetzungsdichtekomponenten zur Dehngrenze des Materials durch die Wirkung des Farbaushärtungsprozesses ist somit nur optional und könnte als ein zusätzlicher Mechanismus dienen, der die Dehngrenze des Materials weiter erhöht, jedoch nicht erforderlich ist. Zusätzliche Vorteile der offenbarten Stahlgüte können die Eliminierung der erwähnten Einschränkungen der Heißprägeparameter sowie finanzielle Einsparungen sein.
-
Durch das Hinzufügen der Elemente aus Tabelle 2 zum Mangan-Bor-Stahl wird der Beitrag der Mischkristallverfestigungskomponente erhöht, während der Vorteil und der Beitrag der Korngrößenkomponente zur Dehngrenze des Materials aufrechterhalten wird. Das Legieren der Elemente, die in Tabelle 2 aufgeführt sind, ermöglicht, die Ausscheidungen während der Heiz- und Abkühlungsstufen (Quenching) in die Lösung aufzunehmen, während des Heißbearbeitens in der Lösung zu bleiben und ausgeschieden zu werden, um das Ferrit während des Kühlens zu stärken. Um eine effektive Ausscheidung zu ermöglichen, sollte das Wachstum der Ausscheidungen eine Größe, bei der sie keine Verfestigung bereitstellen würden, nicht überschreiten. Die Ausscheidungsverfestigung kann zu einer geringeren Duktilität und Stoßfestigkeit führen. Außerdem kann die Ausscheidung verwendet werden, um die austenitische Korngröße und die Ferritkorngröße nach der Umwandlung zu kontrollieren.
-
Die austenitische Korngröße kann beispielsweise durch Einschränken des Wachstums des austenitischen Korns während des Abkühlens unter Verwendung einer Dispersion, wie etwa feinem TiN, die bei der Abkühlungstemperatur ungelöst bleibt, oder Auswählen einer Ausscheidung, die in der Lage ist, die Rate der Rekristallisierung des Austenits zu hemmen, kontrolliert werden.
-
Das Herstellungsverfahren des offenbarten Stahls beeinflusst außerdem die Stahleigenschaften. Das Verfahren kann Formen eines anfänglichen Legierungsmaterials aus dem Basisstahlmaterial mit den vorstehend aufgeführten Elementen oder Mikrolegierungsadditiven beinhalten. Das Basisstahlmaterial ist ein Mangan-Bor-Stahlmaterial. Der Basisstahl kann Mn36B5-Stahlbasismaterial sein. Das Basisstrahlmaterial beinhaltet Eisenerz und Kohle. Die Kohle kann in einem Koksofen von Verunreinigungen befreit werden, um eine fast reine Form von Kohlenstoff zu erzielen.
-
Das Verfahren kann Erwärmen eines Gemisches des Basisstahlmaterials und der Mikrolegierungsaddtivie, Schmelzen des Gemischs und Homogenisieren des geschmolzenen Stahlmaterials beinhalten. Das Schmelzen kann in einem Hochofen bereitgestellt werden. Das Verfahren kann Verarbeiten des Stahls aus dem geschmolzenen Stahlmaterial in einem Sauerstoffkonverter, einer offenen Feuerstelle, einem elektrischen Lichtbogenofen, einem Zyklonkonverterofen oder einer anderen Vorrichtung beinhalten. Das Verfahren kann sekundäre Stahlherstellungsprozesse beinhalten, wie etwa Rühren, Pfannenofen, Pfanneneinblasung, Entgasen, Zusammensetzungsanpassung, Sauerstoffblasen oder dergleichen. Das Verfahren beinhaltet außerdem Block- oder Stranggießen, sodass das geschmolzene Stahlmaterial in eine gekühlte Form gegossen wird, was dazu führt, dass sich eine dünne Stahlhülle verfestigt. Der Strang kann in gewünschte Längen, wie etwa dünne Streifen, geschnitten werden. Der mikrolegierte Stahl kann anschließend durch Warmwalzen geschmiedet werden, was dabei hilft, Gießfehler zu beseitigen und eine gewünschte Form und Oberflächenqualität zu erreichen. Nach dem Warmwalzen kann Kaltwalzen in Umgebungsluft ohne zusätzliche Wärmebehandlung folgen. Die gerollten Bleche können eine ferritischperlitische Mikrostruktur aufweisen, die nach oder bei dem Heißprägeprozess in eine vollständig martensitische Struktur umgewandelt wird.
-
Der Stahl kann auch beschichtet werden, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern, wie etwa die Temperaturtoleranz von bis zu 800 °C ohne Skalierung, Delaminierung oder beidem, oder um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Die Beschichtung kann beispielsweise Aluminium-Silicium-Beschichtung sein. Bei der Beschichtung kann es sich um eine AlSi10Fe3-Beschichtung handeln.
-
Das Verfahren beinhaltet Verwenden des hier offenbarten Stahls im Rohling 10 des vorstehend beschriebenen Heißprägeprozesses, um ein oder mehrere heißgeprägte Teile zu formen. Das eine oder die mehreren heißgeprägten Teile können ein Teil für Automobilanwendungen sein, wie etwa Automobilteile 20 mit hoher Zugfestigkeit, die die vorstehend erwähnten Zieleigenschaften erfüllen oder überschreiten. Das Teil 20 kann ein vorderer Stoßfänger, ein hinterer Stoßfänger, eine A-Säule, eine B-Säule, eine C-Säule, ein Dachrahmen, ein Bodenrahmen, eine Türplatte, ein Türgegenbalken, Intrusionsbalken, Karosseriesäulen, Schweller, Befestigungsplatten, vordere Tunnel, Seitenschienen, Verstärkungselemente und andere Teile im BIW oder dergleichen, von denen Beispiele in 3 gezeigt sind, sein.
-
Am Ende des Heißprägezyklus und vor dem Aussetzen gegenüber zusätzlichen hohen Temperatur, wie beispielsweise in einem Farbaushärtungsofen, weist die Komponente oder das Teil 20, welche/s aus dem offenbarten Stahlmaterial besteht, eine minimale Dehngrenze von mindestens etwa 1400 MPa oder etwa 1400 MPa oder 1400, 1410, 1420, 1430, 1440, 1450, 1480, 1500, 1510, 1520, 1550, 1580, 1600 MPa oder höher; eine minimale Zugfestigkeit von mindestens etwa 1800 MPa oder etwa 1800, 1810, 1820, 1830, 1840, 1850, 1870, 1890, 1900, 1920, 1940, 1950, 1960, 1980, 2000 MPa und eine minimale Dehnung von mindestens 6 % oder etwa 6, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4, 7,5, 7,7, 7,9, 8,0, 8,1, 8,5, 9,0, 9,5, 10, 10,5, 11 % oder mehr Gesamtdehnung auf.
-
Das Ende des Heißprägezyklus oder -vorgangs ist die Freigabe des Teils 20 nach dem Quenchen, wenn das Teil 20 die Heißprägelinie bei etwa 150 °C verlässt. Die Farbaushärtung ist nicht Teil des Heißprägeprozesses, jedoch ein nachfolgender Prozess oder Vorgang. Der Farbaushärtungsprozess kann dem Heißprägeprozess umgehend, kurz und irgendwann, nachdem der Heißprägeprozess beendet ist, folgen. Das Farbaushärten kann ferner die vorstehend erwähnten Eigenschaften durch Aussetzen des Teils 20 gegenüber erhöhten Temperaturen verbessern. Die erhöhten Temperaturen beinhalten Temperaturen, die benötigt werden, um eine oder mehrere Beschichtungen, wie etwa eine oder mehrere Schichten der Automobilfarbe, zu härten.
-
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und nicht einschränkenden Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen zur Umsetzung miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.
