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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils. Weiterhin ist eine Verwendung des Stahlblechbauteils Gegenstand der Erfindung.
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Die Herstellung von Stahlblechbauteilen mittels Warmumformen hat sich bereits industriell etabliert. Dabei werden Stahlblechbauteile im direkten wie auch im indirekten Warmumformverfahren hergestellt. Dabei werden ebene Platinen (direkt) oder bereits vorgeformte bzw. endabmessungsnahe (kalt)geformte Halbzeuge (indirekt) aus einem Stahlwerkstück, insbesondere aus einem härtbaren Stahlwerkstück auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Stahlwerkstücks eine Gefügeumwandlung innerhalb des Stahlwerkstücks eintritt. Mit Ac1 beginnt die Gefügeumwandlung in Austenit und mit Erreichen von Ac3 bzw. oberhalb liegt ein im Wesentlichen vollständig austenitisches Gefüge vor. Die Erwärmung wird in Fachkreisen auch „Austenitisieren“ genannt, insbesondere wenn eine vollständige Umwandlung in Austenit erfolgen soll. Nach der Erwärmung wird das warme (austenitisierte) Stahlwerkstück in ein Umformwerkzeug eingelegt und warm umgeformt. Dabei wird im Zuge oder nach Beendigung des Warmumformens das Stahlwerkstück derart gekühlt, insbesondere innerhalb des Umformwerkzeug, welches vorzugsweise aktiv gekühlt wird, so dass das Gefüge in ein hartes Gefüge aus Martensit und/oder Bainit, vorzugsweise in Martensit umwandelt. In Fachkreisen wird die Abkühlung respektive das Abschrecken des Stahlwerkstücks innerhalb des Umformwerkzeugs bzw. durch Einwirken eines (Härte-)Werkzeugs, welches die Endkontur des herzustellenden Blechbauteils aufweist, auch „Presshärten“ genannt. Alternativ kann eine Abkühlung/Abschrecken auch außerhalb des Umformwerkzeugs/Härtewerkzeugs erfolgen, insbesondere in einem (kalten) Medium, beispielsweise in einem Ölbad, und wird als „Härten“ bezeichnet. Erwärmungs- und Abkühlkurven zur Einstellung der geforderten Gefügestruktur sind abhängig von der chemischen Zusammensetzung des verwendeten, härtbaren Stahlwerkstücks und lassen sich aus sog. ZTA- bzw. ZTU-Schaubildern entnehmen bzw. ableiten.
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Zum Herstellen von Stahlblechbauteilen können unbeschichtete Stahlwerkstücke wie auch beschichtete, mit einer vor Korrosion und/oder Zunderausbildung während der Erwärmung (Austenitisieren) schützenden Metallschicht versehene Stahlwerkstücke verwendet werden. Bei der Verwendung von unbeschichteten Stahlwerkstücken ist die Gefahr einer Verzunderung der Oberfläche des Stahlwerkstücks während der Erwärmung höher als bei beschichteten Stahlwerkstücken, so dass unbeschichtete Stahlwerkstücke in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einem Ofen, erwärmt werden, wobei die Schutzgasatmosphäre innerhalb des Ofens ein Inertgas ist, insbesondere eine Schutzgasatmosphäre auf Stickstoffbasis mit einem Stickstoffanteil von nahezu 100%, durch welche eine Oxidation (Verzunderung) an der Oberfläche des Stahlwerkstücks verhindert werden kann.
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Trotz der Verwendung von Schutzgas, z.B. auf Stickstoffbasis, kann es durch Verunreinigung der Ofenatmosphäre durch Bestandteile der Umgebungsluft hervorgerufen durch Eingangs- und Ausgangsöffnungen an den Öfen, insbesondere bei Rollenherdöfen, zu einer Effusion von Kohlenstoff während der Erwärmung im oberflächennahen Bereich eines zu erwärmenden Stahlwerkstücks kommen. In Fachkreisen ist dieses Phänomen als Randentkohlung bekannt, wobei der Abfall des Kohlenstoffgehaltes (Entkohlung) mit einem Abfall der Härte im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstücks korreliert, insbesondere bei direkt oder indirekt warm umgeformten und/oder pressgehärten und/oder gehärteten, unbeschichteten Stahlblechbauteilen. Dies wirkt sich negativ auf die Schwingfestigkeit aus.
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Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Herstellung eines Stahlblechbauteils in einer Art und Weise erlaubt, dass das resultierende Stahlblechbauteil eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Eigenschaft aufweist.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.
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Zum Herstellen eines Stahlblechbauteils umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte: - Bereitstellen eines härtbaren, insbesondere unbeschichteten Stahlwerkstücks, - zumindest teilweises Erwärmen des Stahlwerkstücks auf eine Temperatur von mindestens Ac1, wobei das zumindest teilweise Erwärmen in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre erfolgt, - Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Warmumformen und anschließendes Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Warmumformen und anschließendes Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks zur Herstellung eines Stahlblechbauteils.
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Erfindungsgemäß umfasst die Schutzgasatmosphäre im Ofen ein kohlenstoffhaltiges Gas und weist einen Kohlenstoff-Pegel auf, welcher derart eingestellt wird, dass sich an der Oberfläche des Stahlblechbauteils nach dem - Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Warmumformen und anschließendes Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Warmumformen und anschließendes Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - ein Kohlenstoffgehalt zwischen -20% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen bis 1,1 Gew.-% (absolut im oberflächennahen Bereich des Stahlblechbauteils und unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils) ergibt. Durch die Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Gases kann im Vergleich zum Stand der Technik eine Randentkohlung, welche sich negativ auf die Eigenschaften des herzustellenden Stahlblechbauteils auswirkt, reduziert werden, wobei der Entkohlungsgrad auf bis zu -20% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks (Kohlenstoffgehalt im Ausgangszustand = Ist-Kohlenstoffgehalt), vorzugsweise auf bis zu -10% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks, bevorzugt auf bis zu -5% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen zugelassen wird. Des Weiteren bzw. alternativ kann sichergestellt werden, dass zumindest keine Entkohlung (Ist-Kohlenstoffgehalt) oder sogar eine Aufkohlung (größer Ist-Kohlenstoffgehalt) im Ofen während der zumindest teilweisen Erwärmung des Stahlwerkstücks erfolgt. So kann die Schutzgasatmosphäre derart auf das Stahlwerkstück respektive auf seine chemische Zusammensetzung angepasst werden, dass die Schutzgasatmosphäre insbesondere nicht entkohlend oder aufkohlend wirkt. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, innerhalb des Ofens durch ein kohlenstoffhaltiges Gas einen Kohlenstoff-Pegel im Ofen zur zumindest teilweisen, vorzugsweise vollständigen Erwärmung des Stahlwerkstücks auf eine Temperatur von mindestens Ac1, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens Ac3 oder höher, vorzusehen, um einerseits eine Entkohlung zu reduzieren oder anderseits eine Entkohlung durch die kohlenstoffhaltige Atmosphäre zu verhindern bzw. durch Diffusion von Kohlenstoff aus der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre in das Stahlwerkstück eine Aufkohlung, insbesondere im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils zu bewirken.
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Der Kohlenstoff-Pegel in der Schutzgasatmosphäre wird insbesondere durch Kohlenmonoxid bereitgestellt, wobei die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre in Vol.-% neben Kohlenmonoxid zwischen 15 und 35 %, insbesondere zwischen 20 und 35 %, zumindest aus Wasserstoff zwischen 15 und 55 % und Stickstoff als Rest inkl. Verunreinigung besteht. Weitere Anteile, wie zum Beispiel Kohlendioxid und/oder Wasserdampf können jeweils bis zu 1,5 % und/oder Spuren von freiem Sauerstoff vorhanden sein. Eine Taupunkttemperatur in °C wird insbesondere zwischen -60 und +10, insbesondere zwischen - 40 und 0 eingestellt.
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Die Schutzgasatmosphäre innerhalb des Ofens verfügt über einen Kohlenstoff-Pegel, welcher sich in der Ofenatmosphäre aus dem verwendeten Gas ermitteln lässt, insbesondere durch Messen der Partialdrücke (Volumenanteile) der in der Ofenatmosphäre anwesenden Gaskomponenten Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff in Verbindung mit der Ofentemperatur, so dass ein bestimmter Kohlenstoff-Pegel über die Gaszusammensetzung eingestellt werden kann. Als kohlenstoffhaltiges Gas werden beispielsweise Propan, Erdgas oder Methan, Ethin, Methanol, Aceton oder Isopropanol verwendet. Die im kohlenstoffhaltigen Gas enthaltenen Kohlenwasserstoffe zerfallen durch die thermische Einwirkung zu Kohlenstoff und Wasserstoff, bei Kohlenstoff-Sauerstoff-Wasserstoff-Verbindungen kommt hierzu noch Kohlenmonoxid. Das Einstellen des Kohlenstoff-Pegels in der Schutzgasatmosphäre erfolgt durch Erhöhen oder Reduzieren der Zugabe des kohlenstoffhaltigen Gases zu einem Trägergas, welches den Ofen mit konstanter Menge durchströmt. Insbesondere kann über den Kohlenmonoxid-Anteil die Regelung des Kohlenstoff-Pegels, welcher sich insbesondere im Falle des Aufkohlens als Kohlenstoffatom aus dem kohlenstoffhaltigen Gas abscheidet, vorgenommen werden. Der Kohlenstoff-Pegel im Ofen wird auf mindestens das 0,8-fache, insbesondere mindestens das 1-fache (=lst-Kohlenstoffgehalt) des Kohlenstoffgehalts des eingesetzten Stahlwerkstücks eingestellt. Das einzustellende Maximum des Kohlenstoff-Pegels liegt gemessen an dem Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des hergestellten Stahlblechbauteils bei maximal 1,1 Gew.-%, insbesondere bei maximal 1,0 Gew.-%, vorzugsweise bei maximal 0,8 Gew.-%, bevorzugt bei maximal 0,6 Gew.-%, besonders bevorzugt bei maximal 0,5 Gew.-% (absolut im oberflächennahen Bereich des Stahlblechbauteils und unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils). Der Kohlenstoff-Pegel wird insbesondere in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt des verwendeten Stahlwerkstücks (Kohlenstoffgehalt im Ausgangszustand = Ist-Kohlenstoffgehalt) vor dem zumindest teilweisen Erwärmen eingestellt. Zur Einstellung eines Kohlenstoff-Pegels in einer Ofenatmosphäre wird insbesondere auf das Merkblatt 452 „Einsatzhärten“, Ausgabe 2008, ISSN 0175-2006, herausgegeben von der Wirtschaftsvereinigung Stahl, verwiesen, beispielsweise auf den Seiten 5 bis 10.
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Unter „nicht entkohlend“ ist zu verstehen, dass der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des Stahlwerkstücks bzw. Stahlblechbauteils im Vergleich zum Kohlenstoffgehalt des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen im Wesentlichen beibehalten wird, wobei im Rahmen von Messtoleranzen Schwankungen von +/- 5% zulässig sind. „Aufkohlend“ hingegen ist dahingehend zu verstehen, dass der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstücks bzw. des Stahlblechbauteils im Vergleich zum Kohlenstoffgehalt des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen erhöht wird.
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Unter „härtbar“ ist zu verstehen, dass das Stahlwerkstück infolge einer gezielten Wärmebehandlung, wie sie bei der direkten und indirekten Warmumformen zur Herstellung eines Stahlblechbauteils durchgeführt wird, das Stahlblechbauteil zumindest teilweise (partiell/lokal) eine höhere Härte aufweist als das bereitgestellte Stahlwerkstück.
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Der „oberflächennahe Bereich“ ist als Bereich ausgehend von der Oberfläche des Stahlwerkstücks bzw. Stahlblechbauteils bis zu einer Tiefe von maximal 400 µm, insbesondere bis maximal 300 µm, vorzugsweise bis maximal 200 µm, bevorzugt bis maximal 100 µm, besonders bevorzugt bis maximal 50 µm, zu verstehen.
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Das Stahlwerkstück ist vorzugsweise ein ebenes oder ein vorgeformtes bzw. endabmessungsnah geformtes Stahlblechwerkstück mit einer Dicke bis zu 25 mm, insbesondere bis zu 20 mm, vorzugsweise bis zu 15 mm, bevorzugt bis zu 10 mm, besonders bevorzugt bis zu 6 mm. Das Stahlwerkstück weist eine Dicke von mindestens 0,5 mm, insbesondere mindestens 1,0 mm, vorzugsweise mindestens 2,0 mm, bevorzugt mindestens 3,0 mm auf. Das Stahlblechwerkstück ist insbesondere aus einem gewalzten Stahlflachprodukt entsprechend zurechtgeschnitten. Abhängig von der Dicke ist das Stahlflachprodukt ein Grobblech, ein unbeschichtetes warmgewalztes Band (Warmband) oder ein unbeschichtetes kaltgewalztes Band (Kaltband).
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Das Stahlwerkstück wird zumindest teilweise auf eine Temperatur von mindestens Ac1 erwärmt. Je nach Anforderung kann das Stahlwerkstück auch vollständig auf eine Temperatur von mindestens Ac1 erwärmt werden. Soll zumindest teilweise ein (voll)austenitisches Gefüge vorliegen, ist eine zumindest teilweise Erwärmung auf eine Temperatur von mindestens Ac3 oder höher erforderlich, um eine maximale Härte abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und der chemischen Zusammensetzung in Bezug auf das verwendete Stahlwerkstück einstellen zu können. Auch ein vollständiges Erwärmen des Stahlwerkstücks auf eine Temperatur von mindestens Ac3 oder höher ist möglich und bevorzugt.
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Das direkte Warmumformen berücksichtigt eine Verwendung eines ebenen Stahlwerkstücks, welches a) nach zumindest teilweiser Erwärmung in einem Werkzeug mittels Warmumformen und Presshärten zu einem Stahlblechteil mit zumindest teilweise hartem Gefüge warm umgeformt und pressgehärtet wird, welches b) nach zumindest teilweiser Erwärmung in einem Warmumformwerkzeug mittels Warmumformen warm umgeformt und anschließend entweder b1) in einem Härtewerkzeug mit zumindest teilweise hartem Gefüge pressgehärtet wird oder b2) in einem Medium, an Luft oder in einem flüssigen Medium, mit zumindest teilweise hartem Gefüge gehärtet wird.
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Das indirekte Warmumformen berücksichtigt ein bereits insbesondere kalt vorgeformtes bzw. endabmessungsnah geformtes Stahlwerkstück, welches nach zumindest teilweiser Erwärmung entweder c1) in einem Härtewerkzeug mit zumindest teilweise hartem Gefüge pressgehärtet wird oder c2) in einem Medium, an Luft oder in einem flüssigen Medium, mit zumindest teilweise hartem Gefüge gehärtet wird. Optional kann dem Härteprozess ein zusätzliches Warmumformen vorgelagert sein.
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Der Umformgrad im Härtewerkzeug, vgl. b1) und c1), ist minimal im Vergleich zur Erstellung der Vorform bzw. endabmessungsnahen Geometrie und kann im Wesentlichen einem Kalibrierschritt zur Herstellung der Endgeometrie entsprechen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verweilt das Stahlwerkstück zwischen 1 und 300 min, insbesondere zwischen 2 und 100 min, vorzugsweise zwischen 3 und 30 min, bevorzugt zwischen 4 und 15 min im Ofen. Soll die Schutzgasatmosphäre aufkohlend wirken, haben neben der Verweildauer auch die Temperatur sowie die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre Einfluss auf den Grad der Aufkohlung im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils. Die Temperatur beträgt mindestens Ac1, die abhängig von der chemischen Zusammensetzung des verwendeten Stahlwerkstücks ist, insbesondere beträgt die Temperatur mindestens Ac3 oder ist höher eingestellt. Besonders bevorzugt wird eine Temperatur zwischen 800 und 970°C, insbesondere zwischen 830 und 950°C eingestellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Ofen beispielsweise als Kammerofen, insbesondere als Mehrlagenkammerofen ausgebildet sein. Vorteilhaft bei Kammeröfen ist, dass sich die Schutzgas- bzw. Ofenatmosphäre besser halten und/oder einstellen lässt, da insbesondere keine dauerhafte Öffnung, wie im Vergleich zu Rollenherdöfen, vorliegen. Alternativ kann der Ofen beispielsweise als Rollenherdofen ausgebildet sein, wodurch eine hohe Produktivität gewährleistet werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stahlblechbauteil mindestens einem Strahlschritt zugeführt. Durch den mindestens einen Strahlschritt kann die Härte an der Oberfläche zumindest partiell, insbesondere vollständig am Stahlblechbauteil durch mechanisches Einwirken gesteigert werden, da durch Eintrag von Druckspannungen in die Oberfläche, lokal oder vollständig am Stahlblechbauteil, eine Kaltverfestigung an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich bewirkt werden kann. Für den Fall, dass die Oberfläche des Stahlblechbauteils dennoch verzundert, kann durch den mindestens einen Strahlschritt die Oberfläche zeitgleich entzundert werden. Als Strahlgut sind alle granularen Strahlmittel geeignet, beispielsweise Stahlkugeln, Stahlschrott, Hochofenschlacke, Sand, Korund, Glas etc., welche die Oberfläche verfestigen respektive verdichten können. Durch den Anstieg der Härte an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich kann einer Rissbildung vorteilhaft entgegengewirkt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelangt das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück nicht mit Umgebungsatmosphäre in Kontakt und das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück wird dem Warmumformen und Presshärten oder dem Warmumformen und anschließenden Härten oder Presshärten oder dem Härten oder dem Presshärten unter Schutzgasatmosphäre zugeführt. insbesondere bei der bevorzugten Verwendung von unbeschichteten Stahlwerkstücken ist von Vorteil, wenn kein Kontakt zwischen dem zumindest teilweise warmen, insbesondere vollständig warmen Stahlwerkstück und der Umgebung vorliegt, so dass eine Verzunderung vor dem Einlegen in das Werkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten verhindert wird, welche die Standzeit des Werkzeugs negativ beeinflussen würde.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Abkühlung des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks während des Härtens oder Presshärtens auf eine Temperatur unterhalb von Ms. Dadurch kann sichergestellt werden, dass abhängig von der chemischen Zusammensetzung des eingesetzten Stahlwerkstücks die entsprechende Martensit-Start (Ms) Temperatur unterschritten wird, um die Ausbildung eines harten Gefüges, insbesondere die Umwandlung von Teilaustenit (Temperatur Ac1 bis Ac3) oder von Vollaustenit (Temperatur oberhalb Ac3) in Martensit, zu erzwingen. Abgeschlossen ist die Umwandlung vollständig in Martensit bei Erreichen bzw. Unterschreiten der Martensit-Finish (Mf) Temperatur.
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Unter „hartem Gefüge“ ist ein Gefüge im Stahlblechbauteil zu verstehen, welches mindestens 70 Flächen-% Martensit, insbesondere mindestens 80 Flächen-% Martensit, vorzugsweise mindestens 90 Flächen-% Martensit aufweist, wobei verbleibende Gefügebestandteile in Form Ferrit, Periit, Bainit, Zementit, Austenit und/oder Restaustenit vorhanden sein können. Das Gefüge kann besonders bevorzugt nur aus Martensit bestehen, so dass dadurch die maximal zu erzielende Härte im Stahlblechbauteil erreicht werden kann. Die angegebenen Gefügebestandteile werden durch Auswertung licht- oder elektronenmikroskopischer Untersuchungen bestimmt und sind daher als Flächenanteile in Flächen-% zu verstehen. Eine Ausnahme hiervon bildet der Gefügebestandteil Austenit bzw. Restaustenit, welcher als Volumenanteil in Vol.-% angegeben wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück, insbesondere vollständig warme Stahlwerkstück, welches vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb von Ac3 erwärmt wird, partiell gehärtet oder partiell pressgehärtet. Eine partielle Härtung bzw. partielle Presshärtung hat den Vorteil, dass unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise harte und weiche Zonen partiell und insbesondere gleichzeitig im Stahlblechbauteil je nach Anforderung und/oder Verwendungszweck eingestellt werden können.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stahlblechbauteil angelassen, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 150 und 300°C und einer Verweilzeit zwischen 5 und 200 min. Durch einen Anlassschritt verliert das Stahlblechbauteil zwar geringfügig seine durch das vorangegangene Härten oder Presshärten eingestellte Härte, kann aber zu einem Anstieg der Streckgrenze des gehärteten Stahlblechbauteils und/oder zu einer Verminderung der Rissempfindlichkeit führen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Stahlwerkstück mit folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% bereitgestellt:
| C = | 0,08 | bis | 0,60; insbesondere 0,1 bis 0,5; vorzugsweise 0,1 bis 0,3; |
| Si = | 0,05 | bis | 0,80; insbesondere 0,1 bis 0,5; vorzugsweise 0,1 bis 0,35; |
| Mn = | 0,1 | bis | 2,2; insbesondere 0,3 bis 1,8; vorzugsweise 0,8 bis 1,6; |
| P | | bis | 0,1; insbesondere bis 0,05; vorzugsweise bis 0,03; |
| S | | bis | 0,1; insbesondere bis 0,05; vorzugsweise bis 0,01; |
| N | | bis | 0,1; insbesondere bis 0,01; vorzugsweise bis 0,001; |
sowie optional eines oder mehrerer der folgenden Elemente:
| Al | bis | 0,5; insbesondere 0,005 bis 0,2; vorzugsweise 0,01 bis 0,15; |
| Cr | bis | 1,0; insbesondere 0,01 bis 0,5; vorzugsweise 0,08 bis 0,35; |
| Cu | bis | 0,5; insbesondere bis 0,3; vorzugsweise bis 0,15; |
| Mo | bis | 0,3; insbesondere bis 0,15; vorzugsweise bis 0,07 |
| Ni | bis | 0,3; insbesondere bis 0,2; vorzugsweise bis 0,14; |
| Nb | bis | 0,2; insbesondere bis 0,1; vorzugsweise bis 0,035; |
| Ti | bis | 0,2; insbesondere bis 0,1; vorzugsweise bis 0,05;bevorzugt 0,001 bis 0,05; |
| V | bis | 0,2; insbesondere bis 0,1; vorzugsweise bis 0,012; |
| B | bis | 0,01; insbesondere 0,0005 bis 0,008; vorzugsweise 0,001 bis 0,005; |
| Sn | bis | 0,1; insbesondere bis 0,07; vorzugsweise bis 0,05; |
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Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Stahlwerkstücke mit einer chemischen Zusammensetzung in den angegebenen Grenzen sind härtbar und eignen sich besonders für das Warmumformen und/oder Härten bzw. Presshärten. Des Weiteren sind sie kostengünstig, als Massenware herstellbar und können mit ihrem Potential insbesondere im Automobilbau ein breites Spektrum abdecken.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Stahlblechbauteile weisen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Stahlblechbauteilen verbesserte Eigenschaften auf, insbesondere durch eine reduzierte Randentkohlung bzw. durch einen nicht entkohlten oberflächennahen Bereich respektive einen aufgekohlten oberflächennahen Bereich weisen sie eine verbesserte Schwingfestigkeit auf, so dass ihr Festigkeitsniveau mit > 2.000.000 Schwingzyklen größer ist als bei herkömmlich gefertigten Stahlblechbauteilen bzw. bei einem gleichen Festigkeitsniveau wie bei herkömmlich gefertigten Stahlblechbauteilen eine insbesondere um mindestens 20 % höhere mittlere Anzahl an Schwingzyklen ohne Bauteilausfall überstanden wird, wie Untersuchungen gezeigt haben. Ein derartig erfindungsgemäß hergestelltes Stahlblechbauteil eignet sich hervorragend als Fahrwerksbauteil oder als Teil hiervon. Fahrwerksteile sind im Betriebsfall enormen zyklischen Belastungen ausgesetzt. Erfindungsgemäß hergestellte Stahlblechbauteile können diese zyklisch Beanspruchung bzw. Schwingungen besser aufnehmen als herkömmliche Stahlblechbauteile, ohne dass es zu einem frühzeitigen Bauteilversagen kommt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden erfindungsgemäß hergestellte Stahlblechbauteile als Rad oder als Teil des Rades, insbesondere als Radschüssel, als Querlenker oder als Teil des Querlenkers, als Verbundlenker oder als Teil des Verbundlenkers verwendet.
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Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail näher erläutert. Die Zeichnung und begleitende Beschreibung der resultierenden Merkmale sind nicht beschränkend auf die jeweiligen Ausgestaltungen zu lesen, dienen jedoch der Illustration beispielhafter Ausgestaltung. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Ausgestaltungen, welche nicht dargestellt sind.
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Die Zeichnung zeigt in
- 1) einen schematischen Ablaufplan einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in
- 2) einen Ausschnitt eines Querschliffs eines nicht erfindungsgemäß pressgehärteten Stahlblechbauteils und in
- 3) einen Ausschnitt eines Querschliffs eines gemäß einer Ausführung der Erfindung pressgehärteten Stahlblechbauteils.
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In einem ersten Schritt (I) wird ein härtbares, insbesondere unbeschichtetes Stahlwerkstück bereitgestellt. Das Stahlwerkstück ist vorzugsweise ein ebenes Stahlblechwerkstück mit einer Dicke bevorzugt bis zu 10 mm. Das Stahlwerkstück wird in einem zweiten Schritt (II) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig auf eine Temperatur von mindestens Ac1, vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb von Ac3 in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre erwärmt. Der Ofen kann beispielsweise als Rollenherdofen oder Kammerofen ausgebildet sein, wobei erfindungsgemäß die Schutzgas- bzw. Ofen-Atmosphäre ein kohlenstoffhaltiges Gas umfasst und im Ofen einen Kohlenstoff-Pegel von mindestens -20% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen bis 1,1 Gew.-% (absolut im oberflächennahen Bereich des Stahlblechbauteils und unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils) eingestellt wird. Verweilt das Stahlwerkstück bevorzugt zwischen 4 und 30 min im Ofen, bewirkt der Kohlenstoff-Pegel in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts des eingesetzten Stahlwerkstücks, i) eine reduzierte Randentkohlung im Vergleich zur konventionellen Herstellung von Stahlblechbauteilen, ii) keine Randentkohlung oder iii) eine Aufkohlung an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstoffs während der Erwärmung bzw. ist feststellbar an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich des hergestellten Stahlblechbauteils. Im dritten Schritt (III) erfolgt vorzugsweise ein Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks in einem Werkzeug, wobei zwischen Ofenausgang und Werkzeug das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück nicht mit Umgebungsatmosphäre in Kontakt gelangt und das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück dem Warmumformen und Presshärten unter Schutzgasatmosphäre zugeführt wird. Die Abkühlung des warm umgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils erfolgt auf eine Temperatur unterhalb Ms, vorzugsweise unterhalb von Mf, um ein hartes Gefüge einzustellen. Je nach Anforderung und/oder Verwendung können unterschiedliche Eigenschaften im Stahlblechbauteil ausgebildet werden, so dass eine partielle Presshärtung erfolgen kann. Alternativ kann das Stahlblechbauteil auch vollständig pressgehärtet sein und somit über den gesamten Querschnitt ein hartes Gefüge aufweisen.
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Das erfindungsgemäß hergestellte Stahlblechbauteil weist im Vergleich zu konventionell hergestellten Stahlblechbauteilen eine verbesserte Schwingfestigkeit auf. Zur weiteren Erhöhung der Härte an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich, insbesondere bei einer bevorzugten Verwendung des Stahlblechbauteils als Fahrwerksbauteil oder Teil hiervon, wird in einem vierten Schritt (IV) das Stahlblechbauteil mindestens einem Strahlschritt zugeführt, wobei lokal oder global ein Strahlmittel auf die Oberfläche des Stahlblechbauteils einwirkt und diese kalt verfestigt respektive verdichtet, wobei derart gestrahlte Stahlblechbauteile widerstandsfähiger gegen zyklische Belastungen sein können und einen höheren Widerstand in Bezug auf Rissbildung und Rissausbreitung aufweisen können. Als fünfter Schritt (V) kann das Stahlblechbauteil einem Anlassschritt unterzogen werden, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 150 und 300°C und einer Verweilzeit zwischen 5 und 200 min. Alternativ können aber auch die Schritte (V) und (IV) getauscht werden, so dass der mindestens eine Anlassschritt vor dem mindestens einen Strahlschritt erfolgen kann.
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Eine Untersuchung mit unterschiedlichen Parametern ist durchgeführt worden. Ein unbeschichtetes Stahlwerkstück der Güte 22MnB5 wurde mit einer Materialdicke von 3 mm bereitgestellt. Vier Stahlwerkstücke S1 bis S4 wurden zurechtgeschnitten. Alle vier Stahlwerkstücke S1 bis S4 wurden bei 920°C für eine Dauer von 9 min vollständig austenitisiert. Nach der Austenitisierung erfolgte ein Transfer unter Ausschluss der Umgebungsatmosphäre in ein Werkzeug zum Warmumformen und Presshärten, welches aktiv gekühlt wurde. Die Transferzeit betrug ca. 6 s. Im Allgemeinen ist eine Transferzeit zwischen 3 und 20 s anzustreben. Die Haltedauer im geschlossenen Werkzeug betrug ca. 20 s mit einem Pressendruck von ca. 3 MPa, wobei die Stahlwerkstücke S1 bis S4 vollständig pressgehärtet wurden.
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S1 (nicht erfindungsgemäß) wurde konventionell in einer stickstoffbasierten Schutzgasatmosphäre mit Stickstoff und unvermeidbaren Verunreinigungen, Taupunkttemperatur < +5°C, erwärmt und nach dem Warmumformen und Presshärten erfolgte ein Anlassschritt bei 170°C und 20 min.
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S2 (erfindungsgemäß) wurde in einer kohlenstoffhaltigen Schutzgasatmosphäre mit einem Kohlenstoff-Pegel von 0,25 %, Rest Stickstoff und unvermeidbare Verunreinigungen, Taupunkttemperatur < +5°C, erwärmt, anschließend in einem Werkzeug warm umgeformt und pressgehärtet.
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S3 (erfindungsgemäß) wurde wie S2 erwärmt und nach dem Warmumformen und Presshärten erfolgte ein Anlassschritt bei 170°C und 20 min.
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S4 (erfindungsgemäß), Vorgehensweise wie bei S3 mit einem zusätzlichen Strahlschritt mit Stahlkugeln vor dem Anlassschritt.
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Die folgende Tabelle zeigt einen Härteverlauf gemessen in HV0,1 gemäß
DIN EN ISO 6507 entlang der Dicke in µm an diskreten Positionen der entsprechend warm umgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteile S1 bis S4.
Tabelle 1
| Messposition | S1 | S2 | S3 | S4 |
| 101 | 447 | 486 | 627 | 643 |
| 301 | 486 | 457 | 514 | 496 |
| 500 | 490 | 453 | 494 | 460 |
| 700 | 466 | 452 | 479 | 440 |
| 901 | 473 | 444 | 480 | 453 |
| 1100 | 478 | 465 | 481 | 440 |
| 1300 | 474 | 457 | 469 | 453 |
| 1500 | 469 | 464 | 474 | 440 |
| 1701 | 458 | 452 | 455 | 440 |
| 1900 | 465 | 471 | 472 | 453 |
| 2100 | 478 | 447 | 482 | 447 |
| 2300 | 486 | 445 | 460 | 460 |
| 2501 | 465 | 440 | 460 | 467 |
| 2700 | 486 | 445 | 511 | 488 |
| 2901 | 464 | 481 | 632 | 439 |
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Die Erwärmung in einer erfindungsgemäßen Schutzgasatmosphäre führt zu einer Reduzierung respektive Unterbindung der Entkohlung der oberflächennahen Bereiche (S2 bis S4) der Stahlwerkstücke/Stahlblechbauteile im Vergleich zu konventionell hergestellten Stahlblechbauteilen (S1). Der Kohlenstoffgehalt korreliert mit der Härte. Des Weiteren wurden an den Stahlblechbauteilen S1 bis S4 Proben zur makroskopischen, lichtoptischen und rasterelektronenoptischen Untersuchung entnommen. Die Proben der S2 bis S4 zeigten an ihren oberflächennahen Bereichen ein martensitisches Gefüge auf, jedoch im Vergleich zum restlichen Bereich mit einem feinkörnigeren und homogeneren Gefüge. in den 2 und 3 sind Ausschnitte aus Querschliffen nach Ätzen mit 3%-iger NH03 gezeigt, wobei 2 sich auf die Probe der S1 und 3 sich auf die Probe der S2 beziehen. Die Probe der S1 wies zwar ebenfalls ein martensitisches Gefüge an ihren oberflächennahen Bereichen auf, aber durch die Erwärmung in der nicht erfindungsgemäßen Schutzgasatmosphäre kam es zu einer Entkohlung im oberflächennahen Bereich bzw. an der Oberfläche des Stahlblechbauteils, was zu einer reduzierten Härte, vgl. 2 der gräuliche Bereich im oberflächennahen Bereich, und damit verbunden zu einer schlechteren Schwingfestigkeit führte. Eine Randentkohlung im oberflächennahen Bereich der Probe der S2 hingegen konnte nicht festgestellt werden, vgl. 3.
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Beim Warmumformen und/oder Härten bzw. Presshärten lässt sich das Gefüge nur im oberflächennahen Bereich eines herzustellenden Stahlblechbauteils beeinflussen, insbesondere durch eine gezielt eingestellte Schutzgasatmosphäre während der Erwärmung, Diffusion und/oder mechanisches Einwirken. Durch die Ausbildung eines feinkörnigen und homogenen Gefüges mit einer hohen Härte entsteht ein hoher Widerstand gegen Rissbildung und Rissausbreitung. Die Beeinflussung ist nur bis zu einer Tiefe von maximal 400 µm, insbesondere bis maximal 300 µm, vorzugsweise bis maximal 200 µm, bevorzugt bis maximal 100 µm gemessen von der Oberfläche des Stahlwerkstücks respektive Stahlblechbauteils, so dass eine Beeinflussung nicht tiefer in den Grundwerkstoff erfolgen muss, um eine verbesserte Schwingfestigkeit zu gewährleisten.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schutzgasatmosphäre kann ein Stahlblechbauteil durch Warmumformen und Presshärten oder durch Warmumformen und anschließendem Härten oder durch Warmumformen und anschließendem Presshärten oder durch Härten oder durch Presshärten hergestellt werden, welches an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich eine gleiche, insbesondere eine um mindestens 5 %, vorzugsweise einem um mindestens 10 % höhere Härte im Vergleich zu dem restlichen Bereich (Mitte bzw. Dicke des Stahlblechbauteils) aufweisen kann, insbesondere wenn ein Kohlenstoff-Pegel eingestellt wird, der gleich oder höher ist als der Kohlenstoffgehalt des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen, quasi dem Kohlenstoffgehalt des Stahlwerkstücks im Ausgangszustand bzw. Bereitstellungszustand entspricht. Durch mechanisches Einwirken infolge mindestens eines Strahlschrittes kann die Härte an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich (weiter) erhöht werden, insbesondere eine um mindestens 10 %, vorzugsweise eine um mindestens 15 % höhere Härte im Vergleich zu dem restlichen Bereich (Mitte bzw. Dicke des Stahlblechbauteils).
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Ein erfindungsgemäß hergestelltes Stahlblechbauteil erreicht ein verbessertes Festigkeitsniveau bei Schwingversuchen, welches Schwingungen besser aufnehmen kann als herkömmlich hergestellte Stahlblechbauteile.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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