DE102019203402A1 - Flachproduktpaket, Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes und seine Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein dreilagiges Flachproduktpaket (10) mit zwei Außenlagen (I, III) bestehend jeweils aus einem ersten Werkstück (1) und einer Kernlage (II) umfassend mindestens einen zweiten Werkstück (2, 3), wobei die Werkstücke (1, 2, 3) aufeinander gestapelt sind und die drei Lagen (I, II, III) des Flachproduktpaketes (10) definieren, wobei die Werkstücke (1, 2, 3) zwischen den Lagen (I; II; III) eine horizontale Verbindungsebene (Vh) bilden und zumindest abschnittsweise umlaufend stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei das Flachproduktpaket (10) für eine Warmwalzplattierung zur Erzeugung eines Werkstoffverbunds vorgesehen ist, wobei das Flachproduktpaket (10) eine Längserstreckung (L) und eine Quererstreckung (Q) aufweist und die Längserstreckung (L) im Vergleich zur Quererstreckung (Q) mindestens doppelt so lang ist. Ferner sind ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes und eine Verwendung des Werkstoffverbunds angegeben.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein dreilagiges Flachproduktpaket mit zwei Außenlagen bestehend jeweils aus einem ersten Werkstück und einer Kernlage umfassend mindestens ein zweites Werkstück, wobei die Werkstücke aufeinander gestapelt sind und die drei Lagen des Flachproduktpaketes definieren, wobei die Werkstücke zwischen den Lagen eine horizontale Verbindungsebene bilden und zumindest abschnittsweise umlaufend stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei das Flachproduktpaket für eine Warmwalzplattierung zur Erzeugung eines Werkstoffverbunds vorgesehen ist, wobei das Flachproduktpaket eine Längserstreckung und eine Quererstreckung aufweist und die Längserstreckung im Vergleich zur Quererstreckung mindestens doppelt so lang ist. Ferner sind ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes und eine Verwendung des Werkstoffverbunds angegeben.
  • Technischer Hintergrund
  • Zur Realisierung von Leichtbau im Automobilbau wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um in Bauteilen Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften einzustellen, welche es ermöglichen, lokal unterschiedlichen Anforderungsprofilen gerecht zu werden. Bei der Verwendung von Stahlwerkstoffen als Halbzeuge gehören zu diesen Ansätzen Technologien wie zum Beispiel tailored blanks, tailored tempering, partielles Presshärten oder flexibles Walzen. Alle genannten Technologien beinhalten technisch limitierende Aspekte, die bei ihrer Anwendung berücksichtigt werden müssen, oder können zu einem hohen Aufwand bei der Herstellung und/oder Verarbeitung führen, welche wiederrum die Wirtschaftlichkeit tangieren.
  • Die Technologien tailored blanks, tailored tempering und partielles Presshärten ermöglichen es grundsätzlich, in einem Bauteil Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften einzustellen, wobei sich stets zwischen den Teilbereichen ein Übergangsbereich ausbildet.
  • Bei einem tailored blank werden zwei oder mehrere Platinen, welche im Wesentlichen aus einem Stahlwerkstoff mit unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlicher Güte bestehen, zu einer Vorplatine insbesondere im Stumpfstoß miteinander verschweißt, aus welcher anschließend ein Bauteil durch Kalt- und/oder Warmumformung hergestellt wird. Der Übergangsbereich wird hierbei durch die Schweißnaht und die angrenzenden Wärmeeinflusszonen gebildet und insbesondere die Breite kann sehr eng eingestellt werden. Darüber hinaus bilden Schweißstellen innerhalb einer Konstruktion in der Regel eine Schwachstelle, welche bei der Auslegung einer Konstruktion zu berücksichtigen ist.
  • Beim tailored tempering und partiellen Presshärten werden Vorplatinen, insbesondere bestehend aus einem härtbaren Stahlwerkstoff, aus welchem ein Bauteil insbesondere warm umgeformt werden soll, lokal unterschiedlich auf Temperatur erwärmt bzw. im warmen Zustand unterschiedlich abgekühlt wird, um lokal unterschiedliche Zielgefüge mit entsprechenden Eigenschaften einzustellen. Die Eigenschaften resultieren aus der Temperaturführung bei der Herstellung des Bauteils. Im Rahmen einer Serienfertigung von Bauteilen ist aus Wirtschaftlichkeitsgründen eine hohe Taktfrequenz erstrebenswert. Dies stellt hohe Ansprüche an den Fertigungsprozess, beispielsweise dass ein Umformwerkzeug u. a. am Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Eigenschaftsbereichen zielgerichtet gekühlt wird, so dass es zu keiner unerwünschten Erwärmung des Umformwerkzeugs und damit zu keiner Veränderung der lokalen Abkühlbedingungen kommt. Zusätzlich ist es bei dieser über den Zeit-/Temperaturverlauf arbeitende Technologie nur limitiert möglich, die Breite des Übergangsbereichs klar definiert und reproduzierbar herzustellen.
  • Beim flexiblen Walzen hingegen erhält das Bauteil seine lokal unterschiedlichen Eigenschaften durch eine lokal variierende Materialdicke. Diese muss bei einer Verarbeitung eines (Stahl-) Bandes zum Bauteil berücksichtigt werden und stellt grundsätzlich eine Herausforderung dar. Eine exakte Positionierung eines Übergangsbereichs in einem gefertigten Bauteil kann nur in Grenzen erfolgen. Grundsätzlich lassen sich mit dieser Technologie definierte Übergangsbereiche mit unterschiedlicher Breite einstellen. Die Verarbeitung eines Bandes mit variierender Dicke stellt aber hohe Ansprüche an die Prozessführung und Prozesskontrolle dar.
  • Eine weitere Technologie ist die Herstellung von mehrlagigen Stahlwerkstoffverbunden durch Walzplattieren, insbesondere durch Warmwalzplattieren, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dafür werden ein erstes und mindestens ein zweites Flachprodukt bereitgestellt, wobei sich die Flachprodukte hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft voneinander unterscheiden. Die Flachprodukte werden aufeinandergestapelt, wobei zumindest die einander zugeordneten und zu verbindenden Oberflächen der Flachprodukte vor dem Aufeinanderstapeln gereinigt und/oder abtragend bearbeitet werden. Die einzelnen Flachprodukte werden zur Erzeugung eines Flachproduktpakets zumindest bereichsweise miteinander verschweißt. Das Flachproduktpaket wird auf mindestens eine Warmwalzanfangstemperatur erwärmt und anschließend zu einem Warmband warmgewalzt, wobei das Warmband anschließend zu Blechen abgetafelt oder zu einem Bund aufgehaspelt werden kann, vgl. deutsche Patentschrift DE 10 2005 006 606 B3 . Für die Herstellung mehrlagiger Stahlwerkstoffverbunde werden die zu einem Flachproduktpaket aufgebauten Flachprodukte, die aus unterschiedlichen Werkstoffen/Lagen bestehen und insbesondere umlaufend verschweißt und damit fixiert sind, gemeinsam durch den Walzspalt eines Walzgerüstes transportiert und dadurch in der Dicke reduziert. Mit jedem Stich wird die Dicke weiter reduziert.
  • Die Einstellung von lokal unterschiedlichen Eigenschaften in einem Stahlwerkstoffverbund ist auch bereits im Stand der Technik beschrieben, insbesondere in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 114 365 A1 . Es werden zwei unterschiedliche Stahlwerkstoffe in einem über die Banddicke unterschiedlichen Schichtdickenverhältnis miteinander kombiniert, wobei die Struktur fünflagig ausgeführt ist, bestehend aus einer Kernlage, zwei Zwischen- und zwei Außenlagen. Dabei sind die Kernlage und die beiden Außenlagen jeweils durchgehend ausgeführt, so dass die Variation der lokal unterschiedlichen Eigenschaften durch die gezielte Ausgestaltung der Zwischenlagen erfolgt. Durch die Anzahl der Verbundschichten ist der Fertigungsaufwand bei der Herstellung von Walzpaketen respektive Flachproduktpaketen enorm.
  • Weitere fünflagige Stahlwerkstoffverbunde mit insbesondere mehr als zwei unterschiedlichen Stahlwerkstoffen sind im Stand der Technik beschrieben, beispielsweise in den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2017 208 254 A1 und DE 10 2007 022 453 A1 .
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Flachproduktpaket bereitzustellen sowie ein Verfahren zum Herstellen eines warmgewalzten Werkstoffverbundes anzugeben, mit welchem bzw. welches insbesondere eine graduierte Einstellung von Bereichen unterschiedlicher Eigenschaften in einem Bauteil gezielt, vorzugsweise in engen Toleranzen reproduzierbar und wirtschaftlich vorgenommen werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Flachproduktpaket mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kernlage mindestens ein drittes Werkstück umfasst, welches sich hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft von dem ersten Werkstück und/oder von dem zweiten Werkstück unterscheidet, wobei das zweite Werkstück und das dritte Werkstück innerhalb der Kernlage in Längserstreckung nebeneinander verlaufend positioniert sind, wobei das zweite Werkstück und das dritte Werkstück zwischen sich eine Bezugsfläche bilden, welche die Werkstücke voneinander trennt.
  • Bevorzugt sind zwei zweite Werkstücke vorgesehen, wobei das zweite Werkstück und das dritte Werkstück derart in der Kernlage positioniert sind, dass das zweite Werkstück in Quererstreckung jeweils seitlich und das dritte Werkstück innerhalb der Kernlage zwischen dem jeweils zweiten Werkstück angeordnet sind. Die beiden ersten Werkstücke können aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Das zweite bzw. die zweiten Werkstücke können auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Mindestens eines der ersten Werkstücke kann aus dem gleichen Werkstoff wie mindestens eines der zweiten Werkstücke bestehen. Auch kann das dritte Werkstück aus einem Werkstoff bestehen, welches für mindestens eines der ersten Werkstücke oder mindestens eines der zweiten Werkstücke vorgesehen ist. Bestehen bevorzugt die beiden Außenlagen (erstes Werkstück/erste Werkstücke) aus dem gleichen Werkstoff (erster Werkstoff) und insbesondere auch der/die in der Kernlage seitlich in Quererstreckung des Flachproduktpaketes angeordnete(n) zweite(n) Werkstück(e) aus jeweils dem gleichen Werkstoff (zweiter Werkstoff) , kann sichergestellt werden, dass beim Warmwalzplattieren oben und unten gleiche sowie jeweils seitlich in Längserstreckung (in Walzrichtung) des Flachproduktpakets gleiche Formänderungsverhältnisse eingestellt sind, so dass ein im Wesentlichen einfaches Warmwalzplattieren erfolgen kann.
  • Durch die Einschränkung auf drei Lagen ist im Vergleich zu einem fünflagigen Aufbau zum einen der Fertigungsaufwand bei der Herstellung des Flachproduktpaketes vermindert. Insbesondere in Bezug auf die DE 10 2014 114 365 A1 ist der limitierende Faktor bezüglich der Einstellung der Breite des Übergangs zwischen den Bereichen unterschiedlicher Eigenschaften zu berücksichtigen, so das zum anderen die Einstellung der Breite der Bereiche unterschiedlicher Eigenschaften bereits beim Zusammenbau des Flachproduktpaketes (Walzpaketes) erfolgt, da sowohl beim Warmwalzen als auch bei einem optional nachfolgenden Kaltwalzen im Wesentlichen kein Fließen in Quererstreckung sondern im Wesentlichen nur ein Fließen in Längserstreckung (Walzrichtung) erfolgt.
  • Die beiden Außenlagen sind vorzugsweise durchgehend einstückig ausgebildet. Auch das zweite und/oder dritte Werkstück in der Kernlage des Flachproduktpaketes ist in Längserstreckung vorzugsweise durchgehend einstückig ausgebildet. Sind zwei zweite Werkstücke jeweils seitlich innerhalb der Kernlage vorgesehen, so ist das dritte Werkstück quasi zu vier Seiten hin, nach oben und unten durch die beiden Außenlagen und jeweils seitlich innerhalb der Kernschicht durch die zweiten Werkstücke abgedeckt. Die zweiten Werkstücke schirmen quasi das dritte Werkstück seitlich in Längserstreckung ab. Lediglich an den beiden Enden, auch Stirnseiten genannt, des Flachproduktpaketes ist das dritte Werkstück nicht abgedeckt. An den Stirnseiten des Flachproduktpakets sind in Quererstreckung alle Werkstücke im Querschnitt betrachtet sichtbar. Das zweite Werkstück und das dritte Werkstück bilden zwischen sich (jeweils) eine Bezugsfläche, welche die Werkstücke innerhalb der Kernlage voneinander trennt.
  • Das Flachproduktpaket weist eine Längserstreckung und eine Quererstreckung auf, wobei die Längserstreckung im Vergleich zur Quererstreckung mindestens doppelt so lang ist, die Längserstreckung insbesondere mindestens die dreifache Länge, vorzugsweise mindestens die fünffache Länge, bevorzugt mindestens die zehnfache Länge aufweist.
  • Die beiden Außenlagen können insbesondere jeweils als Flachprodukt, welches eine Länge, eine Breite und eine Höhe definiert, in Form einer gegossenen Bramme, vorgewalzte Bramme, Vorblock, Vorplatte, Grobblech oder Vorband, als erstes Werkstück aus einem ersten oder unterschiedlichen Werkstoffen bereitgestellt werden. Das zweite und dritte Werkstück für die Kernlage können ebenfalls als Flachprodukt aus einem zweiten oder unterschiedlichen Werkstoffen bereitgestellt werden, insbesondere mit einer rechteckigen Querschnittsform. Die Querschnittsform des zweiten und dritten Werkstücks kann auch von der Rechteckform abweichen, insbesondere wenn Einfluss auf die Breite des Übergangs zwischen Bereichen unterschiedlicher Eigenschaften genommen werden soll, wobei das dritte Werkstück, welches innerhalb der Kernlage, wenn beispielsweise zwei zweite Werkstücke vorgesehen sind, von beiden Seiten in Längserstreckung (Walzrichtung) vom zweiten Werkstück abgedeckt ist, einen Querschnitt in Dreieck-, Viereck- oder Mehreckform aufweisen kann und das zweite Werkstück auf der dem dritten Werkstück zugewandten Seite (auf Seite der Bezugsfläche) der Form des dritten Werkstücks entspricht bzw. entsprechend angepasst ist. Das dem dritten Werkstück abgewandte Seite des zweiten Werkstücks ist im Wesentlichen flach ausgebildet und verläuft im Wesentlichen plan zu den Außenlagen in Längserstreckung. Je nach Ausführung können das zweite und das dritte Werkstück aus einem insbesondere gegossenen, vorzugsweise rechteckigen Material beispielsweise spanend zur gewünschten Querschnittsform bearbeitet werden, was u. a. zeit- und kostenintensiv sein kann, oder alternativ direkt vorzugsweise über geeignete Kokillenformen mit Endformquerschnitt gegossen und auf Länge abteilt werden, um im Flachproduktpaket entsprechend positioniert zu werden.
  • In der einfachsten Ausführung sind beispielsweise innerhalb der Kernlage nur ein zweites und ein drittes Werkstück angeordnet, welche über eine Bezugsfläche in Quererstreckung voneinander getrennt.
  • Unter Eigenschaft des Werkstücks sind mechanische Kennwerte, mindestens die Zugfestigkeit, Härte, Bruchdehnung, Fließspannung, Formänderungswiderstand; Reibbeiwert; Hochtemperaturfestigkeit; Längenausdehnung, Dicke des jeweiligen Flachproduktes und/oder die chemische Zusammensetzung zu verstehen.
  • Gemäß einer Ausführung bestehen die Werkstücke jeweils aus einem Stahl mit einer ersten Stahllegierung, einer zweiten Stahllegierung und optional einer dritten Stahllegierung. Durch die Verwendung von mindestens zwei, vorzugsweise drei unterschiedlichen Stahlwerkstoffen/-legierungen kann auch in einem weiteren Umfang als bisher Einfluss auf die Gebrauchseigenschaften des zu fertigenden Werkstoffverbundes respektive des daraus resultierenden Bauteils genommen werden. Bei der Auslegung von zu fertigenden Werkstoffverbunden wurden bisher zwei Stahlwerkstoffe, vgl. DE 10 2014 114 365 A1 , miteinander kombiniert, die zur Optimierung unterschiedlicher Aspekte dienen sollen. Ein hoch- oder höchstfester Stahlwerkstoff, beispielsweise mit einer Zugfestigkeit von mindestens 800 MPa, soll die Festigkeit im Werkstoffverbund steigern, während ein weicher Stahlwerkstoff, beispielsweise mit einer Zugfestigkeit bis zu maximal 650 MPa, Eigenschaften wie zum Beispiel, Duktilität, Schweißverhalten und/oder die Beständigkeit gegenüber verzögerter Rissbildung im Werkstoffverbund positiv beeinflussen soll. Um dies zielführend umsetzen zu können, sind insbesondere verschiedene Mindestanteile notwendig. Beim Aufbau eines Flachproduktpaketes mit drei unterschiedlichen Stahlwerkstoffen können die Eigenschaften in den einzelnen Bereichen, insbesondere im zu fertigenden Werkstoffverbund respektive im daraus resultierenden Bauteil feiner differenziert und/oder feiner auf die lokalen Anforderungen Einfluss genommen werden.
  • Beispielsweise weisen die erste Stahllegierung einen Kohlenstoffgehalt bis einschließlich 0,1 Gew-%, die zweite Stahllegierung einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,15 Gew.-% und die optionale dritte Stahllegierung einen Kohlenstoffgehalt auf, welcher um mindestens 0,02 Gew.-% im Vergleich zur zweiten Stahllegierung höher ist. Eine derartige Kombination ist vorzugsweise für das Presshärten geeignet. Andere Kombination mit insbesondere geringeren Kohlenstoffgehalten bei der Auslegung der zweiten und/oder der optionalen dritten Stahllegierung und/oder mit einem höheren Kohlenstoffgehalt bei der Auslegung der ersten Stahllegierung sind beispielsweise auch denkbar, insbesondere für die Kaltumformung oder Halbwarmumformung.
  • Alternativ können auch Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Nickel-Basis-Legierungen, Titan-Legierungen oder Magnesium-Legierungen als Werkstoff(e) verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Bezugsfläche in einem Winkel α1=0,1° bis 90°, insbesondere α1=5° bis 80° und/oder α2=90° bis 179,9°, insbesondere α2=100° bis 175° zur Quererstreckung des Flachproduktpakets ausgerichtet, wobei α1 mit Ausnahme von 90° einem spitzen Winkel und α2 mit Ausnahme von 90° einem stumpfen Winkel entsprechen. Durch die Einstellung des Winkels der Bezugsfläche zwischen dem zweiten und dritten Werkstück innerhalb der Kernlage und insbesondere unter Berücksichtigung deren Anteile bzw. Anteils, mit anderen Worten unter Berücksichtigung bzw. Einstellung der Dicke der Kernlage, bezogen auf die Gesamtdicke des Flachproduktpaketes, kann Einfluss auf die Breite des Übergangsbereichs (Bereich zwischen unterschiedlichen Eigenschaften) genommen werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe mit einem Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Schritte: Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Flachproduktpaketes; Erwärmen des Flachproduktpaketes auf mindestens eine Warmwalzanfangstemperatur; Warmwalzen des Flachproduktpaketes zu einem Warmband, Abtafeln des Warmbands zu Platten, Tafeln oder Blechen; oder Aufhaspeln des Warmbands zu einem Bund (Coil).
  • Erfindungsgemäß werden zwei Außenlagen bestehend jeweils aus einem ersten Werkstück und eine Kernlage umfassend mindestens ein zweites Werkstück bereitgestellt, wobei sich das erste Werkstück hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft (chemische Zusammensetzung, Zugfestigkeit, Härte und/oder Bruchdehnung etc.) von dem mindestens zweiten Werkstück unterscheidet. Die Werkstücke (Außenlagen und Kernlage) werden optional zumindest auf den zu verbindenden Oberflächen des ersten und/oder des zweiten Werkstücks gereinigt und/oder abtragend bearbeitet, um die an der Oberfläche beispielsweise während der Lagerung der Flachprodukte ausgebildete Rostschicht und ggf. weitere auf der Oberfläche befindliche Störpartikel zu entfernen. Nach der optionalen Reinigung und/oder spanenden Bearbeitung werden das erste und das mindestens zweite Werkstück aufeinander gestapelt, um die drei Lagen des Flachproduktpaketes zu definieren, wobei die Werkstücke zwischen den Lagen eine horizontale Verbindungsebene bilden und zumindest abschnittsweise umlaufend stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Das Flachproduktpaket wird auf mindestens eine Warmwalzanfangstemperatur, beispielsweise in einem Hubbalkenofen bei Temperaturen beispielsweise zwischen 1100 und 1300 °C erwärmt bzw. durcherwärmt. Nach Erreichen der mindestens Warmwalzanfangstemperatur wird das Flachproduktpaket nach einem bestimmten Stichplan zu einem Warmband gewalzt, welches den Werkstoffverbund respektive den warmwalzplattierten Werkstoffverbund bildet, wobei sich während der Walzung die entsprechenden Lagen respektive Werkstücke/Werkstoffe sowohl über die horizontale Verbindungsebene(n) sowie über die Bezugsfläche(n) vollständig, stoffschlüssig miteinander verbinden. Nach Beendigung der Walzung wird das Warmband entweder zu Platten, Tafeln oder Blechen abgelängt. Alternativ kann das Warmband zu einem Bund (Coil) aufgehaspelt werden.
  • Gemäß einer Ausführung kann der Werkstoffverbund respektive das Warmband zu einem Kaltband gewalzt und anschließend zu Blechen abgetafelt oder zu einem Bund (Coil) aufgehaspelt werden.
  • Gemäß einer Ausführung kann der Werkstoffverbund mit einem anorganischen und/oder organischen Überzug beschichtet werden. Vorzugsweise werden metallische Überzüge, insbesondere Korrosionsschutzüberzüge auf Zink- oder Aluminiumbasis vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der Werkstoffverbund mit einem elektrolytischen oder feuerbeschichteten Überzug versehen.
  • Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung des hergestellten Werkstoffverbunds als Teil oder Komponente in Bereichen mit Verschleiß-Einflüssen, im Maschinen- bzw. Anlagenbau, Behälterbau, Rohrbau, im Baubereich, im Fahrzeug-, im Eisenbahn-, im Schiffbau oder in der Luft- und Raumfahrt. Insbesondere ist das Teil oder die Komponente kaltgeformt, halbwarmgeformt, pressgehärtet oder vergütet.
  • Die Halbwarmumformung erfolgt zumindest bei einem Stahlwerkstoffverbund bei einer Temperatur oberhalb von RT, insbesondere oberhalb von 200°C bis 700°C, insbesondere um Pressenkräfte zu reduzieren und/oder um komplexere und insbesondere rückfederungsarme Bauteile erzeugen zu können.
  • Das Presshärten kann im Zuge einer indirekten Warmumformung oder direkten Warmumformung erfolgen, wobei ein Stahlwerkstoffverbund verwendet wird und mindestens eine der Werkstoffe aus einem härtbaren Stahl besteht. Unter indirekter Warmumformung ist eine Kaltumformung eines im Wesentlichen ebenen Halbzeugs zu einer Vorform mit anschließender Erwärmung der Vorform auf eine Temperatur oberhalb von Ac1 und anschließendem Presshärten in einem gekühlten Werkzeug zu einem pressgehärteten Bauteil (Endform) zu verstehen. Unter direkter Warmumformung ist eine Erwärmung eines im Wesentlichen ebenen Halbzeugs auf eine Temperatur oberhalb von Ac1 und anschließendem Warmumformen und Presshärten in einem gekühlten Werkzeug zu einem pressgehärteten Bauteil zu verstehen. Das Presshärten muss nicht unbedingt das gesamte Bauteil erfassen, sondern kann je nach Bedarf und Verwendung auch nur lokal erfolgen.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
    • 1 schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket nach einer ersten Ausführungsform,
    • 2 schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket nach einer zweiten Ausführungsform,
    • 3 schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket nach einer dritten Ausführungsform,
    • 4 schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket nach einer vierten Ausführungsform,
    • 5 schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket nach einer fünften Ausführungsform,
    • 6 schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket nach einer sechsten Ausführungsform
    • 7 schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket nach einer siebten Ausführungsform und
    • 8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens nach einer Ausführungsform.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • In den 1 bis 6 sind unterschiedliche Ausführungsformen eines Flachproduktpaketes (10) dargestellt. Das Flachproduktpaket (10) weist eine Längserstreckung (L), symbolisiert durch einen Kreis und einem X innerhalb des Kreises und soll die Erstreckung des Flachproduktpaketes (10) in die Bildebene hinein und damit auch die Walzrichtung andeuten, und eine Quererstreckung (Q), symbolisiert durch einen Doppelpfeil, auf, wobei die Längserstreckung (L) im Vergleich zur Quererstreckung (Q) mindestens doppelt so lang ist. Das erfindungsgemäße dreilagige Flachproduktpaket (10) weist zwei Außenlagen (I, III) bestehend jeweils aus einem ersten Werkstück (1) und eine Kernlage (II) umfassend mindestens ein zweites Werkstück (2) und ein drittes Werkstück (3) auf. Das erste Werkstück (1) unterscheidet hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft von dem zweiten Werkstück (2) und das dritte Werkstück (3) unterscheidet sich hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft von dem ersten Werkstück (1) und/oder von dem zweiten Werkstück (2). Die Werkstücke (1, 2, 3) sind aufeinandergestapelt und definieren die drei Lagen (I, II, III) des Flachproduktpaketes (10). Die Werkstücke (1, 2, 3) bilden zwischen den Lagen (I; II; III) jeweils eine horizontale Verbindungsebene (Vh) und sind zumindest abschnittsweise umlaufend stoffschlüssig miteinander verbunden. Das zweite Werkstück (2) und das dritte Werkstück (3) sind derart in der Kernlage (II) positioniert, dass das zweite Werkstück (2) in Quererstreckung (Q) jeweils seitlich angeordnet ist und das dritte Werkstück (3) innerhalb der Kernlage (II) zwischen dem jeweils zweiten Werkstück (2) angeordnet ist, wobei das zweite Werkstück (2) und das dritte Werkstück (3) zwischen sich eine Bezugsfläche (Ü1, Ü2), insbesondere jeweils eine Bezugsfläche (Ü1, Ü2) bilden, welche die Werkstücke (2, 3) voneinander trennt bzw. trennen. Das Flachproduktpaket (10) ist für eine Warmwalzplattierung zur Erzeugung eines Werkstoffverbunds vorgesehen.
  • Die Werkstücke (1, 2, 3) bestehen vorzugsweise aus jeweils aus Stahl mit einer ersten Stahllegierung (1), einer zweiten Stahllegierung (2) und einer dritten Stahllegierung (3). Insbesondere können auch unterschiedliche Stahlwerkstoffe/-legierungen für das erste Werkstück (1), sprich unterschiedliche Werkstoffe für die Außenlagen (I, III), vorgesehen werden. Insbesondere können auch unterschiedliche Stahlwerkstoffe/-legierungen für das zweite Werkstück (2), sprich unterschiedliche Werkstoffe für die innerhalb der Kernlage (II) seitlich angeordneten zweiten Werkstücke, die das dritte Werkstücke (3) seitlich abdecken, vorgesehen werden.
  • In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket (10) nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das erste, zweite und dritte Werkstück (1, 2, 3) sind jeweils als Flachprodukt ausgebildet. Die Kernlage (II) umfasst ein drittes Werkstück (3) in der Mitte und ein zweites Werkstück (2), welches jeweils seitlich, somit links und rechts, neben dem dritten Werkstück (3) angeordnet und über die Bezugsflächen (Ü1, Ü2) voneinander getrennt sind. Aufgrund der jeweils rechteckigen Querschnittsform der Werkstücke (2, 3) ergibt sich jeweils ein rechter Winkel zwischen den Werkstücken (2, 3) zur Quererstreckung (Q) des Flachproduktpaketes (10) von α1=α2=90°.
  • In 2 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket (10) nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 1 ist kein Unterschied der linken Seite des Flachproduktpaketes (10) gegeben, wohingegen sich die rechte Seite des Flachproduktpakets (10) in der Kernlage (II) unterscheidet und die Bezugsfläche (Ü2) mit einem stumpfen Winkel α2 eingestellt ist, so dass am zu fertigenden Werkstoffverbund respektive am resultierenden Bauteil zumindest in einem Bereich ein im Vergleich zu einem rechten Winkel graduierter und dadurch ein feinerer Übergang zwischen den Bereichen unterschiedlicher Eigenschaften eingestellt werden kann.
  • In 3 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket (10) nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 2 ist kein Unterschied der rechten Seite des Flachproduktpaketes (10) gegeben, wohingegen die linke Seite des Flachproduktpakets (10) in der Kernlage (II) spiegelbildlich der rechten Seite entspricht und die Bezugsfläche (Ü1) mit einem spitzen Winkel α1 eingestellt ist. Die Querschnittsform des dritten Werkstücks (3) entspricht im Wesentlichen einer Trapezform.
  • In 4 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket (10) nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich die vierte Ausführungsform dahingehend, dass der Winkel α1 der Bezugsfläche (Ü1) größer, damit einem rechten Winkel näherkommend, als der Winkel α1 in der Ausführungsform in 3 eingestellt ist, so dass die Breite des Übergangsbereichs am zu fertigenden Werkstoffverbund respektive am resultierenden Bauteil links kleiner ist als rechts, somit der Übergang zwischen den unterschiedlichen Eigenschaften rechts differenzierter eingestellt ist als links.
  • In 5 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket (10) nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 3 ist kein Unterschied der linken Seite des Flachproduktpaketes (10) gegeben, wohingegen die Bezugsfläche (Ü2) auf der rechten Seite des Flachproduktpaketes (10) parallel verlaufend zur Bezugsfläche (Ü1) auf der linken Seite des Flachproduktpaketes (10) mit einem stumpfen Winkel α2 eingestellt ist. Die Querschnittsform des dritten Werkstücks (3) entspricht im Wesentlichen einer Parallelogramm-Form.
  • In 6 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket (10) nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 1 ist im Wesentlichen kein Unterschied der rechten Seite des Flachproduktpaketes (10) gegeben, wohingegen das zweite Werkstück (2) der linken Seite und das dritte Werkstück (3) jeweils eine dreieckige Querschnittsform aufweisen und derart miteinander über die Bezugsfläche (Ü1) in der Kernlage (II) positioniert werden, dass sie zusammen eine rechteckige Querschnittsform bilden und über die Bezugsfläche (Ü1) im spitzen Winkel α1 zur Quererstreckung (Q) verlaufend voneinander getrennt sind. Diese Ausführungsform zeigt den in der Breite größtmöglich einstellbaren Übergang zwischen Bereichen unterschiedlicher Eigenschaften.
  • In 7 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Flachproduktpaket (10) nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Vergleich zu den anderen Ausführungsformen ist ein Unterschied in der Kernlage (II) des Flachproduktpaketes (10) gegeben, wobei die Kernlage (II) aus nur einem zweiten Werkstück (2) und einem dritten Werkstück (3) zusammengesetzt ist. Die beiden Werkstücke (2, 3) können jeweils eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweisen oder aber, um einen einstellbaren Übergang zwischen den unterschiedlichen Eigenschaften einstellen zu können, eine viereckige Querschnittsform mit einer schräg verlaufenden Bezugsfläche aufweisen (nicht dargestellt). Sie werden innerhalb der Kernlage (II) derart miteinander positioniert, dass sie über die Bezugsfläche (Ü1) entweder im rechten Winkel α1= 90° zur Querstreckung (Q) oder im spitzen Winkel α1=0,1° bis 90° zur Quererstreckung (Q) verlaufend voneinander getrennt sind (nicht dargestellt).
  • In 8 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines warmwalzplattierten Werkstoffverbunds dargestellt. Es werden zwei Außenlagen (I, III) bestehend jeweils aus einem ersten Werkstück (1), vorzugsweise aus einem Stahl mit einer ersten Stahllegierung (1), und eine Kernlage (II) umfassend ein zweites Werkstück (2) und ein drittes Werkstück (3), vorzugsweise jeweils aus einem Stahl mit einer zweiten Stahllegierung (2) und mit einer dritten Stahllegierung (3), bereitgestellt, wobei sich das erste Werkstück (1) hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft (Zugfestigkeit, Härte und/oder Bruchdehnung etc.) von dem mindestens zweiten Werkstück (2) und/oder das dritte Werkstück (3) sich hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft von dem ersten Werkstück (1) und/oder von dem zweiten Werkstück (2) unterscheidet. [Schritt A].
  • Zumindest die zu verbindenden Oberflächen des ersten, des zweiten und/oder des dritten Werkstücks (1, 2, 3) werden gereinigt und/oder abtragend bearbeitet, um die an der Oberfläche beispielsweise während der Lagerung der Werkstücke (1, 2, 3) ausgebildete Rostschicht und ggf. weitere auf der Oberfläche befindliche Störpartikel zu entfernen [Schritt B].
  • Nach der Reinigung und/oder spanenden Bearbeitung werden das erste, das zweite und das dritte Werkstück (1, 2, 3) aufeinander gestapelt bzw. das zweite und dritte Werkstück (2, 3) zur Bildung der Kernlage (II) nebeneinander positioniert [Schritt C], um die drei Lagen (I, II, III) des Flachproduktpaketes (10) zu definieren, wobei der Aufbau des Flachproduktpaketes (10) gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsformen ausgebildet wird. Auch andere Aufbauformen sind möglich.
  • Nach dem Aufeinanderstapeln bilden die einzelnen Lagen (I, II; III) zwischen sich eine horizontale Verbindungsebene (Vh) und werden zumindest abschnittsweise umlaufend zur Erzeugung eines Flachproduktpakets (10) miteinander verschweißt. Vorzugsweise werden die Lagen (I, II; III) vollständig umlaufend und gasdicht miteinander verschweißt, um einen Austausch bzw. ein Eindringen von Ofenatmosphäre bei einer nachfolgen Erwärmung des Flachproduktpaketes (10) zwischen den Lagen (I, II, III) zu verhindern [Schritt D].
  • Das Flachproduktpaket (10) wird auf mindestens eine Warmwalzanfangstemperatur, beispielsweise in einem Hubbalkenofen bei Temperaturen beispielsweise zwischen 1100 und 1300 °C erwärmt bzw. durcherwärmt [Schritt E].
  • Nach Erreichen der mindestens Warmwalzanfangstemperatur wird das Flachproduktpaket (10) nach einem bestimmten Stichplan zu einem Warmband gewalzt, welches den warmwalzplattierten Werkstoffverbund bildet [Schritt F]. Dabei werden die entsprechenden Lagen (I, II, III) respektive Werkstücke (1, 2, 3) vollständig stoffschlüssig über die Bezugsfläche(n) (Ü1, Ü2) und über die horizontale(n) Verbindungsebene(n) (Vh) miteinander verbunden.
  • Der Werkstoffverbund respektive das Warmband kann optional zu einem Kalband gewalzt werden, [Schritt G] strichliniert dargestellt.
  • Das Warmband bzw. optional das Kaltband wird mit einem anorganischen und/oder organischen Überzug, insbesondere mit einem metallischen Überzug, vorzugsweise auf Zinkbasis oder Aluminiumbasis beschichtet [Schritt H].
  • Nach Beendigung des Beschichtens wird das Warmband respektive optional das Kaltband entweder zu Platten, Tafeln oder Blechen abgelängt [Schritt I] oder zu einem Bund (Coil) aufgehaspelt [Schritt I'] und der weiterverarbeitenden Industrie zur Verfügung gestellt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sowie auf die Ausführungen in der allgemeinen Beschreibung beschränkt. Vielmehr sind die Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar, sofern technisch möglich. Mindestens eines der Werkstücke (1, 2, 3) kann beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff mit einer Zugfestigkeit > 600 MPa, insbesondere > 800 MPa bestehen, insbesondere auch aus einem härtbaren Stahl mit Zugfestigkeiten von mindestens 1500 MPa im gehärteten Zustand, so dass Werkstoffverbunde bereitgestellt werden können, welche presshärtbar und/oder vergütbar sind. Alternativ können auch Werkstoffe derart miteinander kombiniert werden, dass auch Bauteile im Zuge einer Kaltumformung bzw. Halbwarmumformung mit unterschiedlichen Eigenschaften bereitgestellt werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102014114365 A1 [0008, 0014, 0020]
    • DE 102017208254 A1 [0009]
    • DE 102007022453 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Dreilagiges Flachproduktpaket (10) mit zwei Außenlagen (I, III) bestehend jeweils aus einem ersten Werkstück (1) und einer Kernlage (II) umfassend mindestens ein zweites Werkstück (2, 3), wobei die Werkstücke (1, 2, 3) aufeinander gestapelt sind und die drei Lagen (I, II, III) des Flachproduktpaketes (10) definieren, wobei die Werkstücke (1, 2, 3) zwischen den Lagen (I; II; III) eine horizontale Verbindungsebene (Vh) bilden und zumindest abschnittsweise umlaufend stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei das Flachproduktpaket (10) für eine Warmwalzplattierung zur Erzeugung eines Werkstoffverbunds vorgesehen ist, wobei das Flachproduktpaket (10) eine Längserstreckung (L) und eine Quererstreckung (Q) aufweist und die Längserstreckung (L) im Vergleich zur Quererstreckung (Q) mindestens doppelt so lang ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernlage (II) mindestens ein drittes Werkstück (3) umfasst, welches sich hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft von dem ersten Werkstück (1) und/oder von dem zweiten Werkstück (2) unterscheidet, wobei das zweite Werkstück (2) und das dritte Werkstück (3) derart in der Kernlage (II) in Längserstreckung nebeneinander verlaufend positioniert sind, wobei das zweite Werkstück (2) und das dritte Werkstück (3) zwischen sich eine Bezugsfläche (Ü1, Ü2) bilden, welche die Werkstücke (2, 3) voneinander trennt.
  2. Flachproduktpaket nach Anspruch 1, wobei zwei zweite Werkstücke (2) vorgesehen, wobei das zweite Werkstück (2) und das dritte Werkstück (3) derart in der Kernlage (II) positioniert sind, dass das zweite Werkstück (2) in Quererstreckung (Q) jeweils seitlich und das dritte Werkstück (3) innerhalb der Kernlage (II) zwischen dem jeweils zweiten Werkstück (2) angeordnet sind.
  3. Flachproduktpaket nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bezugsfläche (Ü1, Ü2) in einem Winkel α1=0,1° bis 90°, insbesondere α1=5° bis 80° und/oder α2=90° bis 179,9°, insbesondere α2=100° bis 175° zur Quererstreckung (Q) des Flachproduktpakets (10) ausgerichtet ist, wobei α1 einem spitzen Winkel und α2 einem stumpfen Winkel entsprechen.
  4. Flachproduktpaket nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Werkstücke (1, 2, 3) jeweils aus einem Stahl mit einer ersten Stahllegierung (1), einer zweiten Stahllegierung (2) und einer dritten Stahllegierung (3) bestehen.
  5. Flachproduktpaket nach Anspruch 4, wobei die erste Stahllegierung (1) einen Kohlenstoffgehalt bis einschließlich 0,1 Gew-%, die zweite Stahllegierung (2) einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,15 Gew.-% und die dritte Stahllegierung (3) einen Kohlenstoffgehalt aufweist, welcher um mindestens 0,02 Gew.-% im Vergleich zur zweiten Stahllegierung (2) höher ist.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Flachproduktpaketes (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, Erwärmen des Flachproduktpakets auf mindestens eine Warmwalzanfangstemperatur, Warmwalzen des Flachproduktpakets zu einem Warmband, Abtafeln des Warmbands zu Platten, Tafeln oder Blechen, oder Aufhaspeln des Warmbands zu einem Bund.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Werkstoffverbund zu einem Kaltband gewalzt und anschließend zu Blechen abgetafelt oder zu einem Bund aufgehaspelt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Werkstoffverbund mit einem anorganischen und/oder organischen Überzug beschichtet wird.
  9. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 6 bis 8 hergestellten Werkstoffverbundes als Teil oder Komponente in Bereichen mit Verschleiß-Einflüssen, im Maschinen- bzw. Anlagenbau, Behälterbau, Rohrbau, im Baubereich, im Fahrzeug-, im Eisenbahn-, im Schiffbau oder in der Luft- und Raumfahrt.
  10. Verwendung nach Anspruch 9, wobei das Teil oder die Komponente kaltgeformt, halbwarmgeformt, pressgehärtet oder vergütet ist.
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