DE102019208040A1 - Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Stahlmaterial, mit einer Stahllegierung, welche mindestens folgende Bestandteile in Gewichtsprozent aufweist:
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff
0,3 bis 2,5 % Mangan
0,8 bis 2,2 % Silizium
bis 0,06 % Aluminium
bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe
bis 0,06 % Niob
bis 0,1 % Vanadium
bis 0,01 % Titan
0,001 bis 0,01 % Bor
bis 0,01 % Stickstoff
bis 0,01 % Schwefel
bis 0,02 % Phosphor
Rest Eisen und Verunreinigungen,
wobei ein Gefüge aus im Wesentlichen Bainit, stabilisierter Restaustenit und Martensit besteht.
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff
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bis 0,06 % Niob
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bis 0,01 % Titan
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bis 0,01 % Stickstoff
bis 0,01 % Schwefel
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Rest Eisen und Verunreinigungen,
wobei ein Gefüge aus im Wesentlichen Bainit, stabilisierter Restaustenit und Martensit besteht.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder des Anspruches 2. Das Stahlblechbauteil wird erfindungsgemäß im Fahrzeugbau verwendet.
- Ein derartiges Stahlmaterial kann beispielsweise für ein Stahlblechbauteil eingesetzt werden. Bei der Auswahl eines Stahlmaterials für Leichtbauanwendungen im Fahrzeugbau ist unter anderem die Festigkeit des Stahlmaterials ein wesentlicher Faktor. Warmumformstähle, wie zum Beispiel 22MnB5, haben ein nahezu 100 %iges martensitisches Gefüge nach dem Warmumformprozess mit Zugfestigkeiten bis zu 1650 MPa. Die Duktilität, das heißt die Eigenschaft des Materials sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor es versagt, wird oft mit der Bruchdehnung A50 beschrieben. Diese liegt bei einem Stahlmaterial aus einer Stahllegierung 22MnB5 in der Regel zwischen 5 und 7 %. Darüber hinaus wird der Biegewinkel in einem Plättchenbiegeversuch nach VDA
238-100 als weiterer Kennwert zur Charakterisierung der Duktilität angegeben. Für eine Stahllegierung 22MnB5 sind Biegewinkel zwischen 50 und 65 % erreichbar. Es hat sich gezeigt, dass mit im Wesentlichen martensitischen Gefügen relativ geringe Duktilitätsverbesserungen bis A50 = 10% erzielbar sind. Deshalb werden für Karosseriebauteile, die im Crash sehr viel Deformationsenergie absorbieren müssen, Kaltumformgüten bis etwa Rm=800MPa mit Bruchdehnungen A50 = 16% eingesetzt. Wird die Festigkeit dieses sog. AHSS-Stahlmaterials erhöht auf zum Beispiel 1200MPa, um dieses bei Leichtbauanwendungen besser einsetzen zu können, wird das Stahlmaterial ebenfalls empfindlicher bei Belastungen, da es spröder wird. Damit nimmt auch die Duktilität dieses Stahlmaterials ab. Bei dem Stahlmaterial besteht dann die Gefahr eines spröden Versagens, was insbesondere bei einer Verwendung des Stahlmaterials als Fahrzeugkarosseriebauteil im Falle eines Unfalls des Fahrzeuges ungünstig ist. - In einem gattungsgemäßen Verfahren wird in einer zeitlichen Prozessabfolge in einem Austenitisierungsschritt ein Stahlfeinblech für eine Austenitisierungszeit auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 gehalten. Anschließend wird das Stahlfeinblech in einem Einlegeschritt mit einer Einlegetemperatur in ein Umformwerkzeug eingelegt. In einem folgenden Presshärteschritt wird das Stahlfeinblech im Umformwerkzeug warmumgeformt und pressgehärtet, und zwar unter Bildung des Stahlblechteils. Das Stahlblechteil wird in einem Entnahmeschritt mit einer Entnahmetemperatur aus dem geöffneten Umformwerkzeug entnommen.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils für den Fahrzeugbau bereitzustellen, das bei hoher Festigkeit eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Duktilität aufweist, so dass das Stahlblechbauteil in einem Fahrzeug-Crashfall ein gutes Verformungsverhalten aufweist.
- Die Aufgabe ist mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Erfindungsgemäß ist ein Stahlmaterial mit einer Stahllegierung, welches ausgebildet ist zur Verarbeitung in einem Warmumformprozess zur Herstellung eines Stahlblechteils im Fahrzeugbau, vorgesehen, welche mindestens folgende Bestandteile in Gewichtsprozent aufweist:
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff 0,3 % bis 2,5 % Mangan 0,8 bis 2,2 % Silizium bis 0,06 % Aluminium bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe bis 0,06 % Niob bis 0,1 % Vanadium bis 0,05 % Titan 0,001 bis 0,01 % Bor bis 0,01 % Stickstoff bis 0,01 % Schwefel bis 0,02 % Phosphor, - Als weitere Bestandteile kann die Stahllegierung beispielsweise Eisen und Verunreinigungen aufweisen, wobei das Gefüge im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und Martensit besteht.
- Durch den relativ hohen Kohlenstoffgehalt von 0,30 bis 0,42 % kann eine Stabilisierung von Restaustenit des Stahlmaterials verbessert werden. Um zudem auch eine gute Schweißbarkeit des Stahlmaterials erreichen zu können, sollte der Kohlenstoffgehalt 0,42 % nicht übersteigen. Insbesondere durch den Siliziumanteil von 0,8 bis 2,2 % kann das Zwischenstufengefüge und Restaustenit in dem Stahlmaterial stabilisiert werden, wodurch die Duktilität des Stahlmaterials verbessert werden kann. Um die Duktilität des Stahlmaterials weiter zu verbessern, ist zudem der Mangangehalt begrenzt, sodass höchstens 2,5 % Mangan, bevorzugt nur bis 1,0 % in der Stahllegierung enthalten sind, um ein homogenes Gefüge zu erzielen und eine nachteilige Karbidbildung in dem Stahlmaterial zu verhindern. Durch den Zusatz von Niob von bis zu 0,06 % kann eine Kornfeinung erreicht werden, welche ebenfalls zur Verbesserung der Duktilität beitragen kann. Durch den Wegfall bzw. die starke Reduzierung von Titan wird die martensitische Umwandlung im Presshärteschritt verzögert und die Bainitumwandlung im Bainitisierungsschritt unterstützt. Bor dient zur Abbindung von Stickstoff, was ebenfalls die Duktilität verbessert. Mit den erfindungsgemäßen Legierungsbestandteilen kann ein Stahlmaterial zur Verfügung gestellt werden, welches sich durch eine hohe Festigkeit und gleichzeitig eine sehr hohe Duktilität auszeichnet. Das Stahlmaterial kann beispielsweise als Stahlblechbauteil eingesetzt bzw. verwendet werden.
- Bevorzugt kann die Stahllegierung mindestens folgende Bestandteile in Gewichtsprozent aufweisen:
0,36 bis 0,42 % Kohlenstoff 0,3 bis 1,0 % Mangan 1,4 bis 2,0 % Silizium 0,01 bis 0,05 % Aluminium 0,30 bis 0,50 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe 0,005 bis 0,05 % Niob bis 0,1 % Vanadium bis 0,005 % Titan 0,0025 bis 0,005% Bor 0,0025 bis 0,01 % Stickstoff bis 0,008 % Schwefel bis 0,015 % Phosphor. - Auch hier können als weitere Bestandteile beispielsweise Eisen und Verunreinigungen vorgesehen sein, wobei das Gefüge im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und Martensit besteht.
- Die Stahllegierung weist vorzugsweise Gehalte an Chrom, Nickel und/oder Molybdän auf, wobei die Summe an Chrom, Nickel und/oder Molybdän vorzugsweise weniger als 0,5 %, bevorzugt weniger als 0,35 % aufweist. Die Stahllegierung weist damit vorzugsweise nur einen sehr geringen Anteil an Chrom, Nickel und Molybdän auf, wodurch die Menge an teureren Legierungselementen in der Stahllegierung verringert werden kann.
- Das Stahlmaterial weist nach der Warmumformung bevorzugt eine Streckgrenze Re > 600 MPa auf. Die Streckgrenze kennzeichnet bei einem Material die Spannung, bis zu der bei momentenfreier und einachsicher Zugbelastung das Material nahezu keine bleibende plastische Verformungen aufweist. Das bedeutet, dass sich das Material zwar verformt, doch nach dem Zurücknehmen der Belastung wieder in die ursprüngliche Form zurückkehrt. Die Verformung bleibt reversibel bzw. elastisch.
- Der Biegewinkel des Stahlmaterials ist nach der Warmumformung vorzugsweise gleich oder größer als 80°. Die Bruchdehnung A50 des Stahlmaterials ist vorzugsweise gleich oder größer als 16 %. Durch diesen hohen Biegewinkel und/oder die hohe Bruchdehnung kann das Stahlmaterial eine besonders hohe Duktilität aufweisen.
- Weiter zeichnet sich das Stahlmaterial nach der Warmumformung durch eine hohe Festigkeit aus, wobei das Stahlmaterial vorzugsweise eine Zugfestigkeit Rm > 1100 MPa aufweist. Die Zugfestigkeit bestimmt die maximale mechanische Zugspannung die das Stahlmaterial aushält. Das Stahlmaterial weist damit eine höhere Duktilität und Zugfestigkeit auf als die üblicherweise verwendeten Kaltumformgüten, wie beispielsweise DP780 oder DP980 auf.
- In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß dem Anspruch 1 erfolgt zeitlich zwischen dem Austenitisierungsschritt und dem Presshärteschritt ein Abschreckprozessschritt und ein nachgeschalteter Bainitisierungsschritt. Im Abschreckprozessschritt wird das Stahlfeinblech in einer Abschreckzeit auf eine Bainitisierungstemperatur abgekühlt, die kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur ist. Im nachgeschalteten Bainitisierungsschritt wird das Stahlfeinblech über eine Bainitisierungszeit auf der Bainitisierungstemperatur gehalten, so dass eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit stattfindet.
- Das erste Ausführungsbeispiel zeichnet sich also durch ein Verfahren zur Herstellung eines, wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildeten Stahlmaterials aus, bei welchem in einem ersten Schritt (das heißt Austenitisierungsschritt) ein Vormaterial einen ersten Wärmebehandlungsprozess durchläuft, in einem zweiten Schritt das Vormaterial einem Abschreckprozessschritt unterzogen wird und in einem dritten Schritt (Bainitisierungsschritt) das Vormaterial einen zweiten Wärmebehandlungsprozess durchläuft und in einem vierten Schritt (Presshärteschritt) das Material pressgehärtet wird sowie in einem fünften Behandlungsschritt das Karosseriebauteil einem dritten Wärmebehandlungsschritt (das heißt Partitioning-Wärmebehandlungsschritt) unterzogen wird.
- Aufgrund der sehr hohen Verformbarkeit kann das Stahlblechteil nach dem oben beschriebenen Warmumformprozess anschließend in einem weiteren Prozessschritt einem Formgegebungsprozess, insbesondere Kaltumformprozess, unterzogen werden. Dadurch lassen sich komplexere Bauteile, Hohlprofilteile fertigen und/oder zusätzlich verfestigte Bereiche durch Kaltverfestigung im Bauteil einstellen.
- Das Vormaterial (das heißt das Stahlfeinblech) ist vorzugsweise aus einer Stahllegierung, wie sie zuvor beschrieben worden ist, ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Behandlung des Vormaterials und damit der Stahllegierung kann ein Stahlmaterial ausgebildet werden, welches ein Gefüge im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und Martensit aufweist. Die aufeinander folgenden Prozessschritte erster Wärmebehandlungsprozess (Austenitisierungsschritt), Abschreckprozessschritt, zweiter Wärmebehandlungsprozess (Bainitisierungsschritt), zweiter Abschreckprozess (Presshärteschritt) und dritter Wärmebehandlungsprozess (Partitioning-Wärmebehandlungsschritt) tragen zusammen mit der speziellen Stahllegierung dazu bei, dass ein entsprechendes Gefüge ausgebildet werden kann, wodurch das Stahlmaterial eine hohe Festigkeit bei deutlich gesteigerter Duktilität aufweisen kann. Bei dem ersten Wärmebehandlungsprozess erfolgt vorzugsweise eine Austenitisierung des Vormaterials. Bei dem ersten Wärmebehandlungsprozess wird das Vormaterial vorzugsweise über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3, beispielsweise auf etwa 900 °C erwärmt. Der Abschreckprozess kann beispielsweise durch Formhärten oder Presshärten des Vormaterials erfolgen.
- Der Abschreckprozess wird vorzugsweise bei einer Abkühlrate von mehr als 27 °C/s durchgeführt, so dass ein schnelles Abkühlen des Vormaterials erfolgen kann, bevor der zweite Wärmebehandlungsprozess startet.
- Der zweite Wärmebehandlungsprozess (Bainitisierungsschritt) startet vorzugsweise, wenn das Vormaterial eine Temperatur kleiner Bainit-Start-Temperatur und größer Bainit-Finish-Temperatur aufweist. Die Bainit-Start-Temperatur ist die Temperatur, bei welcher ein Ausbilden von Bainit in dem Gefüge beginnt. Die Bainit-Finish-Temperatur ist die Temperatur, bei welcher die Ausbildung von Bainit in dem Gefüge stoppt. Die Bainit-Finish-Temperatur ist üblicherweise niedriger als die Bainit-Start-Temperatur. Der zweite Wärmebehandlungsprozess startet vorzugsweise unmittelbar nach dem Abschreckprozess. Durch das Starten des zweiten Wärmebehandlungsprozesses bei einer Temperatur des Vormaterials, welche kleiner einer Bainit-Start-Temperatur und größer einer Bainit-Finish-Temperatur ist, kann die Bildung von Bainit in dem Gefüge erreicht werden. Durch ein abruptes Verzögern des Umwandlungsprozesses von Austenit in Bainit durch Starten des Wärmebehandlungsprozesses unterhalb der Bainit-Start-Temperatur und oberhalb der Bainit-Finish-Temperatur kann ein hoher Anteil an Bainit und stabilisiertem Restaustenit im Gefüge des Vormaterials eingestellt werden. Die Haltephase während des zweiten Wärmebehandlungsschrittes ist dabei so ausgelegt, dass im Stahlfeinblech eine Gefügeumwandlung im Wesentlichen zu Bainit und Restaustenit erfolgt. Die Haltephase im zweiten Wärmebehandlungsschritt kann hierfür in einem Bereich zwischen 30 Sekunden und 30 Minuten liegen, bevorzugt zwischen 1 Minute und 6 Minuten.
- In einer weiteren Ausbildung kann eine Wärmebehandlung auch mit einem beliebigen, geeigneten Zeit-Temperatur-Profil realisiert werden. Beispielhaft kann ein isothermer Verlauf einer Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden. Alternativ dazu kann auch ein rampenförmig oder stufenförmig fallender oder steigender Verlauf einer Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden. Von Relevanz ist es jedoch, dass mit Abschluss des Wärmebehandlungsschrittes die Temperatur des Stahlfeinbleches um einen ausreichend großen Temperaturversatz oberhalb der Martensit-Start-Temperatur Ms liegt, um im nachfolgenden Presshärteschritt noch eine einwandfreie Warmumformung zu gewährleisten. Der Temperaturversatz ist so zu bemessen, dass auch bei einem transferbedingten Temperaturverlust die Einlegetemperatur beim Start des Presshärteschritts größer als die Martensit-Start-Temperatur Ms ist.
- Nach Abschluss des zweiten Wärmebehandlungsschrittes kann unmittelbar anschließend unverzüglich eine Abschreckhärtung während des Presshärteschrittes erfolgen, in der das gebildete Gefüge aus Bainit und gegebenenfalls Restaustenit im Stahlfeinblech „eingefroren“ wird. Bei unvollständiger Umwandlung das heißt kürzer gewähltem zweitem Wärmebehandlungsschritt kann sich während des Presshärtevorganges zudem ein erhöhter Anteil an Martensit bilden, was die Härte des Stahlmaterials steigern kann.
- Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Presshärteschritt unmittelbar bei Erreichen der Mf-Temperatur zu stoppen und die weitere Bauteilabkühlung an Luft bzw. mit einer sehr viel geringen Abkühlrate fortzusetzen, damit sich das Stahlfeinblechbauteil entspannen kann. Die Presshärtezeit kann dadurch sehr gering gehalten werden, was die Taktzeit vorteilhaft erhöht.
- In einem dritten Wärmebehandlungsschritt (Partitioning-Wärmebehandlungsschritt) wird das eingefrorene im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und gegebenenfalls Martensit bestehende Gefüge Partitioniert, das heißt stabilisiert durch gleichmäßige Umverteilung des Kohlenstoffes. Hierdurch stellt sich die sehr hohe Duktilität des Stahlblechmateriales ein. Dieser Wärmebehandlungsschritt kann im Temperaturbereich >100-225°C für 30 Sekunden bis 60 Minuten, bevorzugt bei >150-200°C für 5-30 Minuten erfolgen.
- In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß dem Anspruch 2 erfolgt nach dem Austenitisierungsschritt, insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Abschreckprozessschritts oder eines Bainitisierungsschritts, unmittelbar anschließend der Presshärteschritt. Der Presshärteschritt ist zweiteilig realisiert mit einem ersten Presshärte-Teilschritt und einem zweiten Presshärte-Schritt. Im ersten Presshärte-Schritt wird das Stahlfeinblech von der Einlegetemperatur, die oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegt, bis auf eine Bainitisierungstemperatur abgekühlt, die kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur ist. Zeitlich unmittelbar nach dem ersten Presshärte-Teilschritt erfolgt ein Bainitisierungsschritt, bei dem das Stahlfeinblech über eine Bainitisierungszeit auf der Bainitisierungstemperatur gehalten wird. Dadurch findet eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit statt. Anschließend erfolgt der zweite Presshärte-Teilschritt, bei dem das Stahlfeinblech in rascher Abkühlung bis auf kleiner oder gleich der Martensit-Finish-Temperatur abgekühlt wird.
- In dem zweiten Ausführungsbeispiel kann daher das Stahlblechmaterial zunächst über die Austenitisierungstemperatur AC3 erwärmt und vollständig austenitisiert werden. In einem nachgelagerten Prozessschritt (das heißt erster Presshärte-Teilschritt) erfolgt eine relativ rasche Warmumformung des Stahlblechmaterials in einem Warmumformwerkzeug zu einem Stahlblechbauteil, derart dass die Bauteiltemperatur unterhalb der Bainit-Start-Temperatur und oberhalb der Bainit-Finish-Temperatur eingestellt ist. In einem dritten Prozessschritt (Bainitisierungsschritt) erfolgt eine Wärmebehandlung mit einer Haltephase beispielsweise in einem Ofen in dem Temperaturbereich zwischen Bainit-Start und Bainit-Finish mit einer im Wesentlichen vollständigen Umwandlung des Gefüges zu Bainit und stabilisiertem Restaustenit. In einem vierten Prozessschritt (das heißt zweiter Presshärte-Teilschritt) erfolgt die rasche Abkühlung des Stahlblechbauteils in einem Warmumformwerkzeug, vorzugsweise das gleiche wie im ersten Presshärte-Teilschritt, bis Erreichen der Martensit-Finish-Temperatur und eine anschließende Abkühlung an Luft. In einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt erfolgt das Bainit-Partitioning analog zum ersten Ausführungsbeispiel. Durch die beiden sehr kurzen Presshärteoperationen gegebenenfalls im gleichen Werkzeug lassen sich in einer Mehrteilestrategie pro Pressenhub sehr vorteilhafte Taktzeiten von wenigen Sekunden realisieren.
- In einer weiteren Ausführungsvariante werden für die Abschreckprozesse bzw. Formhärtungsschritte mechanische Pressen anstelle kostenintensiver servohydraulischer Pressen verwendet. Es hat sich gezeigt, dass diese Prozessschritte nur sehr kurze Prozesszeiten erfordern, weil die maßgeblichen Prozesse zur Einstellung des Gefüges erfindungsgemäß in den Wärmebehandlungsschritten erfolgen und ein Bauteilverzug während des Abschreckprozesses somit weitgehend vermieden werden kann.
- In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Abschreckprozessschritt als Zwischenkühlung in der Transferphase zum zweiten Ofen derart rasch erfolgen, dass weder das Ferrit- noch das Perlitgebiet erreicht werden, und/oder dass eine Zwischenkühlung in einer Kühlphase von weniger als 30 Sekunden erfolgt, insbesondere mittels Luftkühlung oder mittels Kühlplatten oder mittels Walzrollen. Dabei können die Kühlplatten oder Walzrollen aus Stahl sein und temperiert werden, damit die gewünschte Stahlblechtemperatur genauer eingestellt werden kann. Durch ein thermomechanisches Walzen mittels Walzrollen können die Gefügeeigenschaften bzgl. Duktilität und Feinkörnigkeit verbessert werden oder eine gegebenenfalls vorhandene Zunderschicht aufgebrochen werden, damit diese durch zum Beispiel Druckluft leichter entfernt werden kann. Bei einer Zwischenkühlung mit temperierten Kühlplatten können vorhandene Oberflächenbeschichtungen schonender abgekühlt werden und die Gefahr eines Anhaftens an den Kühlplatten verringert werden.
- In einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt eine Zwischenkühlung in der Transferphase zum zweiten Ofen derart, dass durch ein thermomechanisches Walzen mittels Walzrollen in einem ersten Formgebungsschritt ein profiliertes Halbzeug hergestellt wird oder mindestens ein Dickenunterschied (Tailored Rolled Blank) in das Stahlfeinblech eingewalzt wird.
- In einer weiteren Ausführungsvariante kann im zweiten Warmumformschritt (das heißt zweiter Presshärte-Teilschritt) ein Warmbeschnitt durchgeführt werden. Alternativ kann der zweite Warmumformschritt auch als Profilwalzen und/oder Biegeoperation ausgeführt sein, um profilierte Bauteile herstellen zu können. Somit lassen sich durch die zweistufige Abschreck- bzw. Warmumform-Prozessfolge verschiedene Herstellrouten (Ausführungsvarianten) miteinander kombinieren.
- Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Stahlmaterials nach dem wie zuvor beschriebenen, aus- und weitergebildeten Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeugkarosseriebauteils bzw. Fahrwerksbauteil. Ein aus einem derartigen Stahlmaterial ausgebildetes Fahrzeugkarosseriebauteil weist zum einen ein geringes Gewicht auf, so dass es ein hohes Leichtbaupotenzial hat. Ferner weist ein derartiges Fahrzeugkarosseriebauteil eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig sehr hoher Duktilität auf, so dass das Verhalten des Fahrzeugkarosseriebauteils im Falle eines Unfalls des Fahrzeuges verbessert werden kann.
- Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
- Es zeigen:
-
1 eine Anlagenskizze, anhand der die in der2 angedeutete Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils veranschaulicht ist; -
2 in einem Blockschaltdiagramm die Prozessabfolge zur Herstellung des Stahlblechbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
3 ein Diagramm, dass den zeitlichen Verlauf der Stahlblechbauteil-Temperatur beim Einlegen in das Umformwerkzeug und beim anschließenden Presshärten zeigt; -
4 und5 jeweils Ansichten entsprechend der2 und3 eines zweiten Ausführungsbeispiels. - Im Rahmen der beiden nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde jeweils als Vormaterial ein Stahlfeinblech
6 mit der folgenden besonders bevorzugten Stahllegierung verwendet, welche die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent aufweist:0,40 bis 0,42 % Kohlenstoff 0,75 bis 0,85 % Mangan 1,8 bis 2,0 % Silizium bis 0,01 % Aluminium 0,25 bis 0,35% Chrom, Nickel und Molybdän in Summe 0,03 bis 0,04 % Niob 0,005 bis zu 0,05 % Vanadium bis 0,001 % Titan 0,0025 bis 0,004 % Bor 0,005 bis zu 0,01 % Stickstoff 0,001 bis 0,008 % Schwefel 0,005 bis 0,01 % Phosphor. Rest Eisen und Verunreinigungen. - Aus dieser Stahllegierung wurde zunächst ein Vormaterial erstellt, in dem dieses zu Gussblöcken gegossen und anschließend auf die gewünschten Maße geschmiedet worden ist. Anschließend wurde die Oberfläche gefräst. Dann erfolgte ein Warmwalzen, so dass ein plattenförmiges Vormaterial ausgebildet worden ist, welches anschließend 5 Stunden bei 690 °C im Ofen bei Luftatmosphäre wärmebehandelt worden ist. Dieses wärmebehandelte Vormaterial wurde dann an seiner Oberfläche sandgestrahlt, um die bei der Wärmebehandlung entstandene Zunderschicht an der Oberfläche zu entfernen.
- Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahlmaterials wurde dann dieses Vormaterial auf eine Dicke von ungefähr 3,5 mm kaltgewalzt. Unmittelbar nachfolgend zu dem Kaltwalzen erfolgte ein Wärmebehandlungsprozess 1,5 Stunden bei 690 °C in einem Ofen unter Vakuum. Die Abkühlung erfolgte anschließend unter einer Stickstoff-Atmosphäre. Anschließend wurde das Stahlmaterial auf die für das Anwendungsbeispiel benötigten Abmaße mit einer Dicke von 1,5 mm kaltgewalzt.
- Nach der anhand der
1 bis4 veranschaulichten Warmumformung weist das Stahlmaterial die folgenden Kennwerte auf:Zugfestigkeit: Rm = 1200 MPa Streckgrenze: Rp ≥ 750 MPa Bruchdehnung: A50 ≥ 22 % Biegewinkel: α ≥ 100° Brucheinschnürung: Z ≥ 60% Streckgrenzenverhältnis: Rp/Rm = 0,63 Duktilitäts-Kennwert: RmxA50 ≥ 26400 - In der
1 ist grob schematisch eine Anlage skizziert, anhand der zunächst die grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils7 erläutert ist. Die Anlage weist beispielhaft einen Durchlaufofen1 , einen als Batchofen realisierten Wärmebehandlungsofen2 , ein Umformwerkzeug3 zur Warmumformung und Presshärtung von Stahlblechbauteilen7 sowie eine Ablagestation5 auf, in der die hergestellten Stahlblechbauteile7 gelagert werden. Zunächst wird ein Stahlfeinblech6 aus einem härtbaren Stahl in den Durchlaufofen1 transferiert und dort in einem AustenitisierungsschrittΔtA (3 ) auf eine ProzesstemperaturTA (3 ) oberhalb der werkzeugspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 des eingesetzten Stahls erwärmt, die beispielhaft bei 930°C liegt. - Das so erwärmte Stahlfeinblech
6 wird in einer Transferphase in den Wärmebehandlungsofen2 transferiert und dort bei einer BainitisierungstemperaturTB (3 ) einem BainitisierungsschrittΔtB (3 ) unterzogen. Anschließend wird das derart wärmebehandelte Stahlfeinblech6 in das Umformwerkzeug3 transferiert und dort in einem PresshärteschrittΔtH (3 ) zu dem Stahlblechbauteil7 warmumgeformt und zugleich bis auf eine Entnahmetemperatur Taus (3 ) abgeschreckt. In der1 weist das Umformwerkzeug3 zudem eine nur angedeutete Temperier-/Kühleinrichtung9 auf, um das Umformwerkzeug3 während des PresshärteschrittesΔtK aktiv zu kühlen bzw. auf einer vordefinierten Werkzeugtemperatur zu halten. - In der Prozessabfolge der
2 ist zeitlich zwischen dem AustenitisierungsschrittΔtA und dem BainitisierungsschrittΔtB ein AbschreckprozessschrittΔtS (3 ) zwischengeschaltet, bei dem das Stahlfeinblech6 in einer Abschreckzeit auf die BainitisierungstemperaturTB (3 ) abgekühlt wird. Diese ist kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur Bs und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur Bf. Im BainitisierungsschrittΔtB wird das Stahlfeinblech6 über die BainitisierungszeitΔtB auf der BainitisierungstemperaturTB gehalten. - Im Abschreckprozessschritt
ΔtS ist die Abkühlrate bevorzugt größer als 27°C/s. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei der Abkühlung weder das Ferrit- noch das Perlit-GebietP ,F erreicht wird. Bevorzugt ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der AbschreckprozessschrittΔtS durch die Transferphase zwischen dem Durchlaufofen1 und dem Batchofen2 realisiert. - Nach Abschluss des Bainitisierungsschrittes
ΔtB im Batchofen2 wird das wärmebehandelte Stahlfeinblech6 in einem Einlegeschritt sowie mit einer Einlegetemperatur Tein (3 ) in das Umformwerkzeug3 eingelegt, woraufhin in einer Werkzeughaltephase der PresshärteschrittΔtH erfolgt. Wie aus der3 hervorgeht, ist die BainitisierungstemperaturTB um einen TemperaturversatzΔT größer als eine Martensit-Start-Temperatur Ms. - In der
3 erfolgt im BainitisierungsschrittΔtB beispielhaft eine isotherme Wärmebehandlung bei einer konstanten BainitisierungstemperaturTB , die hier in einem Bereich zwischen 450 und 500°C liegen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche isotherme Temperaturführung begrenzt. Vielmehr können auch andere geeignete Temperatur-Zeit-Profile angewendet werden. Entscheidend ist, dass sich im BainitisierungsschrittΔtB eine Gefügeumwandlung im Stahlfeinblech6 im Wesentlichen in ein bainitisches Zwischenstufengefüge ergibt, und zwar ohne Bildung von Ferrit- und/oder Perlitgefüge. Alternativ kann bevorzugt als Sekundärphase zusätzlich Restaustenit und gegebenenfalls Martensit gebildet werden, indem die Bainitisierung vorzeitig beendet wird. - Nach Abschluss des Bainitisierungsschrittes
ΔtB erfolgt in den2 und3 unverzüglich der PresshärteschrittΔtH mit einer schlagartigen Abkühlung bis auf die Entnahmetemperatur Taus, und zwar insbesondere mit einer Abkühlrate, die größer als 27°C/s ist. - In der
3 liegt die Entnahmetemperatur Taus knapp unterhalb der Martensit-Finish-Temperatur Mf. Nach dem Entnahmeschritt erfolgt ein LuftkühlschrittΔtKL in der Ablagestation5 , bei der das Stahlblechteil7 an Luft bis auf eine Raumtemperatur abgekühlt wird. - Nach dem Luftkühlschritt
ΔtLK wird in der3 ein Partitioning-WärmebehandlungsschrittΔtP durchgeführt, bei dem Stahlblechteil7 vergütet wird, um die Bauteil-Sprödigkeit zu reduzieren und die Bauteil-Duktilität zu erhöhen. Prozesstechnisch bevorzugt ist es, wenn der Partitioning-WärmebehandlungsschrittΔtP als integraler Bestandteil während der prozesstechnisch nachgeschalteten Fahrzeuglackierung stattfindet. - Anhand der
4 und5 wird nachfolgend ein Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, das eine alternative Prozessabfolge aufweist. Demzufolge ist in der4 oder5 - in Abgrenzung zum ersten Ausführungsbeispiel der1 bis3 - zwischen dem AustenitisierungsschrittΔtA und dem PresshärteschrittΔtH1 weder ein Abschreckprozessschritt noch ein Bainitisierungsschritt zwischengeschaltet. Vielmehr wird das Stahlfeinblech6 nach erfolgter Austenitisierung unmittelbar in das Umformwerkzeug3 eingelegt, wobei die Einlegetemperatur Tein größer als die Austenitisierungstemperatur Ac3 ist. In den4 und5 ist der Presshärteschritt zweiteilig realisiert, und zwar mit einem ersten Presshärte-TeilschrittΔtH1 und einem zweiten Presshärte-TeilschrittΔtH2 . - Im ersten Presshärte-Teilschritt
ΔtH1 wird das im Umformwerkzeug3 eingelegte Stahlfeinblech6 von der Einlegetemperatur Tein bis auf eine BainitisierungstemperaturTB abgekühlt, die kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur Bs und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur Bf ist. Im ersten Presshärte-TeilschrittΔtH1 ist die Abkühlrate bevorzugt größer als 27°C/s. Zeitlich unmittelbar nach dem ersten Presshärte-TeilschrittΔtH1 erfolgt ein BainitisierungsschrittΔtB , bei dem das Stahlfeinblech6 über eine Bainitisierungszeit auf der BainitisierungstemperaturTB gehalten wird. Auf diese Weise findet eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit statt. Der BainitisierungsschrittΔtB kann beispielhaft in einer vom Umformwerkzeug separaten Erwärmungseinrichtung erfolgen. - Anschließend erfolgt in der
4 oder5 der zweite Presshärte-TeilschrittΔtH2 , bei dem das Stahlfeinblech6 bis auf eine Martensit-Finish-Temperatur Mf abgekühlt wird. Im zweiten Presshärte-TeilschrittΔtH2 ist die Abkühlrate bevorzugt größer als 27°C/s. Das somit fertiggestellte Stahlblechteil7 wird mit einer Entnahmetemperatur Taus in einem Bereich unterhalb der Martensit-Finish-Temperatur Mf entnommen und zur Ablagestation5 transferiert. In der Ablagestation5 erfolgt ein LuftkühlschrittΔtLK , bei der das gebildete Stahlblechteil7 an Luft bis auf eine Raumtemperatur abgekühlt wird. Nach dem LuftkühlschrittΔtLK wird - wie im ersten Ausführungsbeispiel - ein Partitioning-WärmebehandlungsschrittΔtP durchgeführt, bei dem Stahlblechteil7 vergütet wird, um die Bauteil-Sprödigkeit zu reduzieren und die Bauteil-Duktilität zu erhöhen. - Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebene besonders bevorzugte Ausgestaltung. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Durchlaufofen
- 2
- Batchofen
- 3
- Umformwerkzeug
- 5
- Ablagestation
- 6
- Stahlfeinblech
- 7
- Stahlblechbauteil
- 9
- Temperier-/Kühlsystem
- TA
- Stahlfeinblech-Temperatur im Durchlaufofen
- TB
- Stahlfeinblech-Temperatur im Batchofen
- Tein
- Einlegetemperatur
- Taus
- Entnahmetemperatur
- ΔT
- Temperaturversatz
- F
- Ferritgebiet
- P
- Perlitgebiet
- B
- Bainitgebiet
- ΔtA
- Austenitisierungsschritt
- ΔtB
- Bainitisierungsschritt
- ΔtS
- Abschreckprozessschritt
- ΔtH
- Presshärteschritt
- ΔtH1, ΔtH2
- Presshärte-Teilschritte
- ΔtLK
- Luftkühlungsschritt
- ΔtP
- Partitioning-Wärmebehandlungsschritt
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils (7) mit einem Gefüge aus im Wesentlichen Bainit, Restaustenit und gegebenenfalls Martensit für den Fahrzeugbau, bei dem ein Vormaterial in Form eines Stahlfeinblechs (6) bereitgestellt wird, das aus einem Stahl hergestellt ist, der insbesondere in Gewichtsprozent die folgenden Bestandteile aufweist:
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff 0,3 bis 2,5 % Mangan 0,8 bis 2,2 % Silizium bis 0,06 % Aluminium bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe bis 0,06 % Niob bis 0,1 % Vanadium bis 0,05 % Titan 0,001 bis 0,01 % Bor bis 0,01 % Stickstoff bis 0,01 % Schwefel bis 0,02 % Phosphor Rest Eisen und Verunreinigungen, wobei - Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils (7) mit einem Gefüge aus im Wesentlichen Bainit, Restaustenit und gegebenenfalls Martensit für den Fahrzeugbau, bei dem ein Vormaterial in Form eines Stahlfeinblechs (6) bereitgestellt wird, das aus einem Stahl hergestellt ist, der insbesondere in Gewichtsprozent die folgenden Bestandteile aufweist:
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff 0,3 bis 1,0 % Mangan 0,8 bis 2,2 % Silizium bis 0,06 % Aluminium bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe bis 0,06 % Niob bis 0,1 % Vanadium bis 0,005 % Titan 0,001 bis 0,005 % Bor bis 0,01 % Stickstoff bis 0,01 % Schwefel bis 0,02 % Phosphor Rest Eisen und Verunreinigungen, wobei - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass im Entnahmeschritt die Entnahmetemperatur (Taus) bevorzugt in einem Bereich kleiner oder gleich der Martensit-Finish-Temperatur (Mf) liegt bzw. kleiner oder gleich 200°C, und/oder dass nach dem Presshärteschritt (ΔtH), insbesondere nach dem Entnahmeschritt, ein Luftkühlschritt (ΔtL) erfolgt, bei dem das gebildete Stahlblechteil (7) für eine Luftkühl-Zeit an Luft bis auf eine Raumtemperatur (TR) abgekühlt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich nach dem Presshärteschritt (ΔtH), insbesondere nach dem Luftkühlschritt (ΔtL), ein Partitioning-Wärmebehandlungsschritt (ΔtP) erfolgt, bei dem das Stahlblechteil (7) vergütet wird, um die Bauteil-Sprödigkeit zu reduzieren und die Bauteil-Duktilität zu erhöhen, und/oder dass die Bruchdehnung (zum BeispielA50) des Stahlblechteils (5) durch den nachgelagerten Partitioning-Wärmebehandlungsschritt (ΔtP) (Bainit-Partitioning) bei >100-225°C für 30 Sekunden bis 60 Minuten, bevorzugt bei >150-200°C für 5-30 Minuten von 5 - 7% auf >16 - 40% gesteigert werden kann, und/oder dass in einem weiteren Prozessschritt nach dem Partitioning-Wärmebehandlungsschritt (ΔtP) eine weitere (Kalt-)-Formgebungsoperation und gegebenenfalls eine Fügeoperation erfolgt, um beispielsweise einen geschlossenen Profilquerschnitt durch einen Biegeprozess herzustellen oder mindestens einen Bereich des Bauteils gezielt zu verfestigen, und/oder dass der Partitioning-Wärmebehandlungsschritt (ΔtP) auch als integraler Bestandteil während der Fahrzeuglackierung durchführbar ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung Gehalte an Chrom, Nickel und/oder Molybdän aufweist, wobei die Summe an Chrom, Nickel und Molybdän weniger als 0,5 %, bevorzugt weniger als 0,35 %, aufweist, und/oder dass das Stahlblechbauteil (7) eine Streckgrenze Re > 600 MPa, eine Zugfestigkeit Rm > 900 MPa und/oder eine Bruchdehnung A50 > 16% aufweist, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Δts) durch eine Transferphase zwischen dem Austenitisierungsschritt (ΔtA) und dem Presshärteschritt (ΔtH) realisiert ist, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (ΔtS) derart rasch erfolgt, dass weder das Ferrit- noch das Perlitgebiet (P, F) erreicht werden, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Δts) in einer Kühlphase von weniger als 30 Sekunden erfolgt, insbesondere mittels Luftkühlung oder mittels Kühlplatten oder mittels Walzrollen, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Δts) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (ΔtB) mit Kühlplatten derart erfolgt, dass eine einfache mechanische Presse verwendet werden kann, die Kühlplatten aus Stahl sind und temperiert werden können, damit die gewünschte Stahlblechtemperatur genauer eingestellt werden kann und gegebenenfalls eine Oberflächenschutzschicht geschont werden kann.
- Verfahren nach einem der
Ansprüche 4 oder5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abschreckprozessschritt (Δts) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (ΔtB) derart erfolgt, dass durch Walzen, die temperiert werden können, ein thermomechanisches Walzen durchgeführt wird, um die Gefügeeigenschaften bzgl. Duktilität und Feinkörnigkeit zu verbessern oder um eine gegebenenfalls vorhandene Zunderschicht aufzubrechen, damit diese durch zum Beispiel Druckluft leichter entfernt werden kann, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (ΔtS) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (ΔtB) derart erfolgt, das durch ein thermomechanisches Walzen in einem ersten Formgebungsschritt ein profiliertes Halbzeug hergestellt wird, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (ΔtS) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (ΔtB) derart erfolgt, dass durch thermomechanisches Walzen mindestens ein Dickenunterschied (Tailored Rolled Blank) in das Stahlfeinblech eingewalzt wird. - Verfahren nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Abschreckprozessschritt (Δts) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (ΔtB) eine zusätzlich Korrosionsschutz-Beschichtung auf das Stahlfeinblech (6) aufgebracht wird, vorzugsweise aufgesprüht wird, derart, dass die Temperatur im anschließenden Bainitisierungsschritt (ΔtB) für die Ausbildung eines Schichtverbundes genutzt werden kann, und/oder dass im Bainitisierungsschritt (ΔtB) beliebige, geeignete Zeit-Temperatur-Profile realisierbar sind, beispielhaft kann ein isothermer Verlauf einer Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden, oder alternativ dazu kann auch ein rampenförmig oder stufenförmig fallender oder steigender Verlauf einer Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden, und/oder dass der ersten Presshärte-Teilschritt (ΔtH1) und der zweite Presshärte-Teilschritt (ΔtH2) im gleichen Umformwerkzeug (3) oder in der gleichen Umformstation durchgeführt werden, und/oder dass im zweiten Presshärte-Teilschritt (ΔtH2) ein Warmbeschnitt durchführbar ist, oder das Umformwerkzeug zur Durchführung des zweiten Presshärte-Teilschritts (ΔtH2) als Profilwalzen oder als Biegeoperation ausgeführt ist, und/oder dass durch den zweistufigen Presshärteschritt (ΔtH) bzw. durch den Abschreckprozessschritt (Δts) die Taktzeiten reduziert werden können. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweistufigen Presshärteschritt (ΔtH) die Presse des Umformwerkzeugs (3) relativ einfach und damit kostengünstig ausführbar ist, so dass insbesondere für die Abschreckprozesse bzw. Formhärtungsschritte mechanische Pressen anstelle von kostenintensiven servohydraulischen Pressen verwendbar sind.
- Stahlblechbauteil, das nach einem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen hergestellt ist, und dass insbesondere das Stahlblechbauteil ein Fahrzeugkarosseriebauteil ist.
- Verwendung des Stahlblechbauteils nach
Anspruch 9 zur Herstellung eines Fahrzeugfahrwerkbauteils.
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