DE102020130543A1

DE102020130543A1 - Stahlmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102020130543A1
Application number: DE102020130543.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Gerstner; Thomas Kurz; Siegfried Kolnberger; Andreas Sommer
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-05-19
Also published as: CN116507752A; EP4247992A1; US20240002965A1; WO2022106561A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stahlmaterial zur Herstellung hoch- bzw. höchstfester Bauteile mit einer Zugfestigkeit Rm> 1600 MPa, insbesondere > 1800 MPa und insbesondere > 2000 MPa, wobei das Stahlmaterial ein Bor-Mangan-Stahl ist, der einen Kohlenstoffgehalt > 0,30 Masse% aufweist, wobei das Stahlmaterial zu einem Band mit einer Dicke von 0,5 bis 3 mm warmgewalzt oder warmgewalzt und kaltgewalzt ist, wobei das Band eine dünne Beschichtung aus Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink ein Auflagengewicht von < 50 g/m2je Bandseite des Stahlbandes aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stahlmaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Es ist bekannt, insbesondere in Automobilkarosserien Strukturbauteile und insbesondere Strukturbauteile, die die Fahrgastzelle oder tragende Bauteile bilden, aus hochfesten Stahlgüten auszubilden. Die Verwendung hochfester Stahlgüten bzw. hochfester Bauteile aus Stahl hat den Vorteil, dass bei einer sehr hohen Festigkeit diese Bauteile mit einer vergleichsweise geringen Wandstärke ausgebildet werden können, was damit wiederum das Fahrzeuggewicht und damit den Treibstoffverbrauch senkt.
Bemühungen dies im Karosseriebau über die Härtung von Bauteilen zu erreichen, sind seit Mitte der 1980-er Jahre bekannt.
Um derartige hochfeste Stahlbauteile zu erzeugen haben sich im Stand der Technik zwei Verfahren durchgesetzt, nämlich das Presshärten und das von der Anmelderin entwickelte Formhärten.
Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass durch Abschrecken mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit das sich bildende Stahlgefüge so beeinflusst wird, dass der Stahl sehr hart wird.
Beim Presshärten wird hierzu eine Platine aus einem entsprechend härtbaren Stahl auf eine Temperatur erhitzt, welche so hoch ist, dass sich das Stahlgefüge teilweise oder vollständig in Austenit umwandelt. Diese Umwandlung findet üblicherweise oberhalb der Austenitumwandlungstemperatur A_c3 statt. Diese A_c3-Temperatur ist vom Stahlwerkstoff und seiner Legierungslage abhängig und liegt üblicherweise zwischen 720 und 920°C.
Eine derart erhitzte Stahlplatine wird anschließend in ein Umformwerkzeug überführt, wobei sie ihren austenitischen Zustand behält und in diesem Umformwerkzeug mit einem Umformhub oder mehreren Umformhüben in die Form des gewünschten Bauteils gebracht. Das Umformwerkzeug ist hierbei so kalt, dass beim Berühren der austenitischen Platine während des Umformens und dann des durch Umformung gewonnenen Bauteils die Wärme so schnell vom Stahl in das Umformwerkzeug abgeführt wird, dass die kritische Härtegeschwindigkeit überschritten wird. Hierdurch wird das Gefüge des Stahls von einem austenitischen Gefüge in ein überwiegend oder vollständig martensitisches Gefüge überführt.
Für diese Martensitumwandlung sind gewisse Kohlenstoffgehalte des Stahles notwendig, wobei der Härteeffekt, sehr vereinfacht gesagt, höher wird, je höher der Kohlenstoffgehalt ist. Der Härteeffekt beruht darauf, dass ebenfalls vereinfacht gesagt, das Austenitgitter Kohlenstoff besser lösen kann als das sich bildende Martensitgitter, so dass es im Martensitgitter zu Gitterverspannungen oder Karbidausscheidungen kommt, die zu einer Verzerrung des Gitters führen, welche die hohe Härte bedingt.
Ein anderer Weg derartige gehärtete Bauteile zu schaffen, ist das bereits erwähnte Formhärten. Die physikalischen Voraussetzungen und die metallurgischen Voraussetzungen des Stahls sind hierbei grundsätzlich dieselben wie beim Presshärten. Jedoch wird beim Formhärten das Bauteil zunächst kalt ausgeformt und zwar in einem üblichen Formgebungsverfahren. Das übliche Formgebungsverfahren für Stahl ist das Tiefziehen, wobei hierfür oft fünfstufige Pressenstraßen verwendet werden, bei dem ein solches Bauteil mit fünf Umformhüben zu dem fertigen Bauteil geformt wird. Durch die Mehrzahl von Pressenhüben lassen sich grundsätzlich komplexere Bauteile erzielen als das beim Presshärten möglich wäre, da dort nur ein Pressenhub für die Umformung und Härtung zur Verfügung steht, da nach dem ersten Umformhub das Bauteil ja so hoch gehärtet ist, dass es sich praktisch nicht mehr umformen lässt.
Beim Formhärten nun wird das fertig umgeformte Bauteil so stark erhitzt, dass der Stahl seinen austenitischen Zustand erreicht und im austenitischen Zustand in ein Formhärtewerkzeug überführt wird. Das Formhärtewerkzeug besitzt eine um 0,2% größere Dimension als die Sollgeometrie des fertigen Bauteils. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn beim Formhärteverfahren das Bauteil nach dem Kaltumformen in alle drei Raumrichtungen so dimensioniert ist, dass es nach dem Aufheizen durch die Wärmedehnung und vor allem beim Einlegen in das Formhärtewerkzeug in alle drei Raumrichtungen exakt die Größe des gewünschten Bauteils hat und insbesondere exakt die Größe, die auch durch das Formhärtewerkzeug vorgegeben ist. Somit passt das aufgeheizte Bauteil dann perfekt in die Formhärteform, wird in diese eingelegt und die Formhärteform schließt sich und klemmt das heiße Bauteil allseitig. Das Formhärtewerkzeug ist ebenfalls kalt, so dass die Wärme aus dem Stahl in das Werkzeug abgeführt wird, ebenfalls mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt.
Somit wird auch beim Formhärten dann das austenitische Gefüge in ein martensitisches Gefüge umgewandelt mit dem bereits beschriebenen Härteeffekt.
Das Presshärteverfahren wird auch als direktes Verfahren bezeichnet, weil direkt gehärtet und umgeformt wird. Das Formhärteverfahren wird auch als indirektes Verfahren bezeichnet, weil das Härten keine Formgebung mehr durchführt oder jedenfalls nur geringe Formgebungen bzw. Kalibrierungen.
Zur Sicherstellung des Überschreitens der kritischen Härtegeschwindigkeit, diese liegt üblicherweise zwischen 20 und 25 Kelvin pro Sekunde und wird meist durch die Werkzeuge deutlich überschritten, können die Werkzeuge üblicherweise gekühlt sein und beispielsweise eine Flüssigkühlung besitzen.
Mit den genannten Verfahren lassen sich Bauteile erzielen, welche Zugfestigkeiten R_m von größer 1600 MPa erzielen und insbesondere mehr als 1800 MPa und sogar bis bzw. über 2000 MPa erzielen.
Die Materialien haben hierbei je nach Hersteller unterschiedliche Bezeichnungen, werden generell im Stand der Technik aber oft als zum Beispiel PHS1500 bezeichnet für Güten, die beim Press- oder Formhärten eine Zugfestigkeit von 1500 MPa ausbilden können oder PHS2000 für Güten, die eine Zugfestigkeit von 2000 MPa und mehr ausbilden können.
Darüber hinaus ist es seit langem bekannt, derartige Bauteile mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung auszubilden. Die grundsätzliche Notwendigkeit der metallischen Korrosionsschutzbeschichtung ergab sich aus im Wesentlichen zwei Anforderungen. Eine Anforderung ist, dass die metallische Korrosionsschutzbeschichtung während des Aufheizens eine oberflächliche Oxidation und Verzunderung des Materials verhindern soll. Der zweite, wichtigere Effekt ist, dass sich pressgehärtete oder formgehärtete Bauteile mit einer entsprechenden metallischen Beschichtung besser in das gesamte Korrosionsschutzkonzept des Fahrzeuges, insbesondere Automobils, einfügen. Wurden zunächst nur aluminiumbasierte metallische Korrosionsschutzschichten verwendet, weil man annahm, dass nur diese den Hochtemperaturprozess zum Aufheizen auf die Härtetemperatur aushalten, wurde es durch eine spezielle chemische Auswahl später auch möglich, metallische Korrosionsschutzbeschichtungen auf Zinkbasis zu verwenden, welche sich besser in eine vollverzinkte Karosserie integrieren lassen als aluminiumbeschichtete Bleche, welche zu Kontaktkorrosion führen können (aber nicht müssen).
Metallische Korrosionsschutzschichten werden bei den verwendeten Materialien oft durch Kürzel identifiziert, wobei das Kürzel AS üblicherweise für Aluminiumsiliziumschichten steht, während das Kürzel Z für mittels Schmelztauchen hergestellte Zinkschichten bzw. zinkbasierte Schichten gilt und ZF für Zinkschichten steht, welche nach dem Schmelztauchbeschichten durch einen nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt eine diffusionsbedingte Legierung mit dem darunter liegenden Stahlblech eingegangen sind, sogenannte Galvannealing-Schichten. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass in der Zinkschicht üblicherweise bis zu 15% bevorzugt zwischen 8% und 14% Eisen eindiffundiert sind. ZE steht für zinkbasierte Schichten welche über ein elektrolytisches Verfahren aufgebracht wurden.
Darüber hinaus ist es üblich, hinter dieses Kürzel eine Zahl zu setzen, welche das Beschichtungsgewicht in Gramm pro m² angibt. Eine Beschichtung Z140 bedeutet also, dass es sich um eine mittels Schmelztauchen aufgebrachte Zinkauflage handelt mit 140 g pro m² Schichtauflage in Summe auf beiden Bandseiten. D.h. bei Z140 wird je Bandseite 70 g Zn pro m² aufgebracht.
Im Stand der Technik werden als Stahlmaterialien sogenannte Bor-Mangan-Stähle verwendet, d.h., Stähle die mit Bor und Mangan legiert sind. Einer diese Stähle ist zum Beispiel der am weitesten hierfür verbreitete 22MnB5, wobei die Zahl 22 hier den Kohlenstoffgehalt, d.h., 0,22% Kohlenstoff angibt.
Jedoch sind auch andere Güten bekannt und zwar insbesondere um sehr hohe Festigkeiten zu erzielen, hier ist der 34MnB5 zu nennen, wobei hier der Kohlenstoffgehalt - aus den bereits genannten Gründen - höher ist, nämlich 0,34%. Neben dem 34MnB5 sind auch höher borlegierte Varianten wie ein 34MnB7 oder 34MnB8 möglich.
Im Stand der Technik hat sich herausgestellt, dass die Materialien mit einem höheren Kohlenstoffgehalt, welche insbesondere dazu geeignet sind, nach dem Press- oder Formhärten Zugfestigkeiten von über 2000 MPa zu entwickeln.
Besonders hochfeste Güten, d.h. Güten, die Zugfestigkeiten von über 2000 MPa erzielen können, werden derzeit entweder unbeschichtet oder mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung versehen verarbeitet. Bei diesen höchstfesten Stahlgüten können häufig, jedoch nicht immer, gewisse Probleme bezüglich der Wasserstoffaufnahme während des Aufheizens zur Austenitisierung aufweisen können. Deshalb wird üblicherweise bei derartigen Materialien, insbesondere hochkohligen Materialien, die Ofenatmosphäre speziell eingestellt und insbesondere mit einem sehr niedrigen Taupunkt gearbeitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stahlmaterial zu schaffen, welches insbesondere als höchstfestes Stahlmaterial mit Zugfestigkeiten über 2000 MPa in einfacherer und verbesserter Weise herstellbar ist.
Die Aufgabe wird mit einem Stahlmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Stahlmaterial ist ein über Abschreckhärten härtbares Stahlmaterial, welches aus einem Bor-Mangan-Stahl besteht mit einem hohen Kohlenstoffgehalt.
Insbesondere ist das Stahlmaterial ein Material, welches mehr als 0,30% Kohlenstoff enthält und insbesondere ein Stahl des Typs 34MnB5.

Eine erfindungsgemäße Zusammensetzung des Stahlmaterials lautet wie folgt, wobei alle Angaben in Masse-Prozent sind:

Kohlenstoff (C)	0,30-0,60
Mangan (Mn)	0,5-3,0
Aluminium (Al)	0,01-0,30
Silizium (Si)	0,01-0,5
Chrom (Cr)	0,01-1,0
Titan (Ti)	0,01-0,08
Niob (Nb)	0,001-0,06
Stickstoff (N)	< 0,02
Bor (B)	0,002-0,02
Phosphor (P)	< 0,015
Schwefel (S)	< 0,01
Molybdän (Mo)	< 1

Rest Eisen und unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung des Stahlmaterials kann wie folgt zusammengesetzt sein, wobei alle Angaben in Masse-Prozent sind:

Kohlenstoff (C)	0,32-0,38
Mangan (Mn)	0,8-1,5
Aluminium (Al)	0,025-0,20
Silizium (Si)	0,01-0,5
Chrom (Cr)	0,01-0,25
Titan (Ti)	0,025-0,08
Niob (Nb)	0,001-0,06
Stickstoff (N)	< 0,006
Bor (B)	0,002-0,008
Phosphor (P)	< 0,012
Schwefel (S)	< 0,002
Molybdän (Mo)	< 1

Rest Eisen und unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Besonders auszeichnen kann sich das Stahlmaterial wenn folgende Bedingung erfüllt ist: $(Al - 0,02) / (15,4 * N) + Ti / (3,25 * N) + Nb / (13,3 * N) > = 1$
Dabei wird vorteilhafterweise das Verhältnis von Aluminium, Titan und Niob in Bezug auf Stickstoff eingestellt um das Bor möglichst wirksam im Stahlmaterial als Härtungselement zu aktivieren und entsprechend hohe Werte an Zugfestigkeit erreichen zu können.
Erfindungsgemäß ist das Material entgegen der geübten Praxis bei verzinkten härtbaren Stählen und des fachmännischen Wissens mit einer dünnen Zinklegierungsauflage belegt. Die Zinklegierungsauflage ist erfindungsgemäß jedoch ausgesprochen dünn und beträgt < 7µm je Bandseite, bevorzugt < 6µm je Bandseite. Dies entspricht beispielsweise somit einer Schichtauflage ZF80 (ca. 35 g/m² Zn je Bandseite).
Im Gegensatz zu fachmännischen Überlegungen wurde keine dicke Zinkschicht aufgebracht, da ein kathodischer Korrosionsschutz nicht im Vordergrund steht.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass auch eine derart dünne Zinklegierungsschicht das Aufheizverhalten des Stahls im Ofen über die Fläche des Bandes vergleichmäßigt. Bei unbeschichteten Stahlblechen kann aufgrund einer ungleichmäßigen Ölverteilung sich das Aufheizverhalten lokal unterschiedlich ausbilden. Zusätzlich kann sich die Oxidhaftung aufgrund von herstellungsbedingte Inhomogenitäten lokal unterschiedlich stark ausbilden und somit die Wirkung von Reinigungs- bzw Konditionierungsprozessen insbesondere Schleuderradstrahlen sich lokal unterschiedlich auswirkt. Des Weiteren ist gegenüber unbeschichteten höchstfesten Stahlblechen von Vorteil, dass die Verarbeitung kostengünstiger wird, da trotz der dünnen Zinkschicht ohne Schutzgas produziert werden kann, insbesondere vorhandene Anlagen in guter Weise verwendbar sind. Überraschenderweise hat sich eine deutlich verbesserte Umformbarkeit und ein deutlich geringerer Werkzeugverschleiß ergeben. Auch gegenüber mit Aluminium-Silizium-Schichten beschichteten Blechen ist die Verarbeitung kostengünstiger und es konnte überraschend festgestellt werden, dass gegenüber Aluminium-Silizium-beschichteten Blechen das Aufheizen schneller erfolgt, so dass die minimale Ofenverweilzeit deutlich abgesenkt wird. Dies wird darauf zurückgeführt, dass der Emissionsgrad von Anfang an deutlich besser ist und ein Durchreagieren der Schichten nicht erforderlich ist.
Darüber hinaus ist gegenüber Aluminium-Silizium-beschichteten Stählen von Vorteil, dass offenbar keine Wasserstoffproblematik auftritt, denn im Ofen ist keine Taupunktregelung erforderlich und auch keine Trockenlufteinblasung erforderlich. In Versuchen konnte herausgefunden werden, dass die Wasserstoffbeladung nach dem Ofenprozess, d.h. nach der Austenitisierung deutlich geringer ist. Ein weiterer sehr überraschender Effekt der eingetreten ist, dass derartige Materialien welche zuvor schlecht geeignet für Klebeverbindungen waren, dies mit dem erfindungsgemäßen Material nun gut möglich ist. Dass mit der besonders dünnen Zinkschicht versehene Material ist in hervorragender geeignet für Klebeverbindungen. Diese Verbindung zeigt auch bei sehr tiefen Prüftemperaturen keine lokalen Schichtablösungen. Zudem besitzen die Bleche gegenüber unbeschichteten und nicht nachbehandelten Blechen und gegenüber Aluminium-Silizium-beschichteten Blechen eine deutlich verbesserte Schweißeignung. Gegenüber dicken Zinkauflagen konnte festgestellt werden, dass auch hier die Aufheizrate höher ist, wobei die Zinkauflage so dünn ist, dass kein Verspröden durch Kontakt von Austenit mit flüssigen Zinkphasen, das sogenannten Liquid Metal Embrittlement (LME), auftritt.
Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass bei einer direkten Umformung, also einem Presshärten, trotz der niedrigen Zinkauflage die Reibwerte im Werkzeug trotz der dünnen Schicht genauso gut sind wie bei einer deutlich dickeren Zinkschicht, zum Beispiel Z140 oder Z200. Beim indirekten Verfahren, also beim Formhärten, konnte ebenfalls, anders als bei AISi, eine sehr gute Umformbarkeit ohne Schichtablösung beobachtet werden, zudem war auch hier die Wasserstoffbeladung deutlich geringer als bei einem unbeschichteten oder bei einem AISi Material.
Die Erfindung betrifft somit ein Stahlmaterial zur Herstellung hoch- bzw. höchstfester Bauteile mit einer Zugfestigkeit R_m > 1600 MPa, insbesondere > 1800 MPa und insbesondere > 2000 MPa, wobei das Stahlmaterial ein Bor-Mangan-Stahl ist, der einen Kohlenstoffgehalt > 0,30 M-% aufweist, wobei das Stahlmaterial zu einem Band mit einer Dicke von 0,5 bis 3 mm warmgewalzt oder warmgewalzt und kaltgewalzt ist, wobei das Band eine dünne Beschichtung aus Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink mit einem Auflagengewicht von < 50 g/m² je Bandseite des Stahlbandes aufweist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Stahlmaterial wobei der Stahlwerkstoff folgende Legierungszusammensetzung aufweist (alle Angaben in Masse-%):

Kohlenstoff (C)	0,30-0,60
Mangan (Mn)	0,5-3,0
Aluminium (Al)	0,01-0,30
Silizium (Si)	0,01-0,5
Chrom (Cr)	0,01-1,0
Titan (Ti)	0,01-0,08
Niob (Nb)	0,001-0,06
Stickstoff (N)	< 0,02
Bor (B)	0,002-0,02
Phosphor (P)	< 0,015
Schwefel (S)	< 0,010
Molybdän (Mo)	< 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der der Stahlwerkstoff folgende Legierungszusammensetzung aufweist (alle Angaben in Masse-%):

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung erfüllt das Stahlmaterial folgende Bedingung (in Masse-%) $(Al - 0,02) / (15,4 * N) + Ti / (3,25 * N) + Nb / (13,3 * N) > = 1$
Bei wiederum einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt das Auflagengewicht < 45 g/m² insbesondere < 40 g/m² besonders bevorzugt < 30 g/m² je Bandseite des Stahlbandes
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Beschichtung aus Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink oder ist eine Beschichtung, die auf dem Stahlband durch eine Temperaturbehandlung in eine Zink-Eisen-Schicht umgewandelt ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlmaterials wobei eine Schmelze für einen Bor-Mangan-Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt > 0,3 Masse-% erschmolzen wird und anschließend vergossen wird, wobei die erhaltene Bramme warmgewalzt oder warmgewalzt und kaltgewalzt wird, um ein Stahlband mit einer Dicke von 0,5 bis 3 mm zu erhalten, wobei das so erhaltene Stahlband mit einem Verzinkungsverfahren mit einer Beschichtung aus Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink beschichtet wird, wobei die Beschichtung ein Auflagengewicht von < 50 g/m² pro Bandseite aufweist.
In einer Weiterbildung wird die Zinkschicht durch eine auf das Verzinken folgende Wärmebehandlung in eine Zink-Eisen-Schicht mit einem Anteil von 8 bis 18 Masse-% Eisen bevorzugt 10 bis 15 Masse-% Eisen umgewandelt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Zinkschicht mittels eines Schmelztauchbeschichtens (Feuerverzinken), einem elektrolytischen Verzinken oder über ein PVD-Verfahren abgeschieden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Beschichtung neben Zink weitere Elemente, wie Aluminium, Magnesium, Nickel, Chrom, Zinn, Eisen oder eine Mischung derselben enthalten, welche gemeinsam abgeschieden werden.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere gehärteten Bauteilen aus Stahlmaterial, wobei eines der vorgenannten erfindungsgemäßen Stahlmaterialien pressgehärtet oder formgehärtet wird.
In einer Weiterbildung wird das Stahlmaterial zum Zwecke des Austenitisierens auf eine Temperatur zwischen 700 und 950°C erhitzt, gegebenenfalls auf der Temperatur gehalten wird, bis es einen gewünschten Austenitisierungsgrad erreicht hat und anschließend gehärtet, wobei das Material entweder vor dem Erhitzen vollständig umgeformt wurde, oder nach dem Erhitzen umgeformt wird.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, deren einzige Figur einen Vergleich der unterschiedlichen Eigenschaften von unterschiedlichen Vergleichsmaterialien zeigt.
Dabei wird bei den Nummern 1 bis 4 jeweils Material mit etwa 1500 MPa Zugfestigkeit und unterschiedlichen Beschichtungsarten dargestellt. AISi steht hierbei für bekannte Beschichtungen aus Aluminium-Silizium, auch als Usibor bekannt. Uncoated steht für blankes Material, also unbeschichtet. In Klammern wird dann auch jeweils das angewandte Presshärteverfahren bezeichnet, wobei ind für den indirekten Prozess und dir für den direkten Warmumformprozess steht. Die Bezeichnung pc steht für ein bekanntes Vorkühlverfahren, wo vor der Umformung die Stahlplatine auf eine Temperatur von 400°C bis 650°C abgekühlt wird. Die Nummern 5 bis 8 zeigen entsprechendes Material mit etwa 2000 MPa Zugfestigkeit mit wiederum unterschiedlichen Beschichtungsarten. Alle Beispiele von 1 bis 8 sind nicht erfindungsgemäß, sondern bekannte Materialien aus dem Stand der Technik.
In den Spalten neben der Bezeichnung werden die einzelnen mechanische Werte beurteilt und je nach Eignung beurteilt. Dabei bezeichnet ein - eine schlechte Eignung, ein 0 eine durchschnittliche Eignung, ein + eine gute Eignung und ein ++ eine ausgezeichnete Eignung. Die Bezeichnung na steht für Werte die keine Anwendung finden, beispielsweise ist ein Reibwert für den indirekten Prozess nicht anwendbar.
Das erfindungsgemäße Stahlmaterial ist ein Stahlmaterial aus einem hoch- bzw. höher kohlenstoffhaltigen Bor-Mangan-Stahl, insbesondere einem Stahl mit mehr als 0,30 Masse-% Kohlenstoff und insbesondere ein 34MnB5. Die erfindungsgemäßen Beispiele sind in 1 als Nummer 9 und Nummer 10 bezeichnet.
Dieses Material ist entsprechend der üblichen Analyse eines 34MnB8 erschmolzen und im Strangguss vergossen worden und anschließend warmgewalzt und so gewünscht, gegebenenfalls kaltgewalzt.
Das Stahlmaterial hat als Band bzw. Blech und damit auch die daraus ausgeschnittenen Platinen eine Dicke von 0,5 bis 3 mm.
Für die Weiterverarbeitung wird das warmgewalzte oder gegebenenfalls warm- und kaltgewalzte Stahlmaterial mit einer Zinkbeschichtung oder eine Beschichtung mit einer Legierung auf Basis von Zink oder Zink-Eisen-Schicht versehen.
Für die Verzinkung kommt eine elektrolytische Verzinkung, eine Verzinkung über PVD-Verfahren oder eine Feuerverzinkung infrage.
In allen drei Fällen wird die Zinkauflage beidseitig des Bandes auf ≤ 7 µm, weiter bevorzugt ≤ 6 µm eingestellt.
Wenn es gewünscht wird, kann die Zinkschicht (Z/FVZ) auf dem Stahlband durch eine Aufwärmung auf Temperaturen zwischen 400 und 600°C in eine Zink-Eisen-Schicht (ZF) umgewandelt werden.
Für die Weiterverarbeitung zu Bauteilen werden aus diesem Stahlblechband Abschnitte, sogenannte Platinen ausgeschnitten. Für die Verarbeitung im Presshärteverfahren, also im direkten Verfahren, werden die Platinen einem Ofen aufgegeben und durch den Ofen hindurchgeführt und in dem Ofen über die Austenitisierungstemperatur (A_c3) erhitzt und gegebenenfalls solange auf dieser Temperatur gehalten, bis ein gewünschter Austenitisierungsgrad, insbesondere eine vollständige Austenitisierung erfolgt ist.
Anschließend werden die derart austenitisierten Platinen entnommen und einem Umformwerkzeug aufgegeben, in dem die Platinen mit einem einzigen Hub umgeformt und durch das kalte Werkzeug gleichzeitig abgeschreckt und dadurch gehärtet werden.
Für das indirekte Verfahren werden die Platinen einer insbesondere einstufigen oder mehrstufigen Umformung zugeführt und dort in das gewünschte Bauteil umgeformt, wobei mit jedem Umformhub der Umformgrad üblicherweise steigt und die Erzeuge zwischen den einzelnen Umformstationen übergeben werden. Der Beschnitt erfolgt bevorzugt im Zuge der Umformung.
Nach der letzten Umformstation, d.h., wenn die Umformung soweit erfolgt ist wie gewünscht, d.h. ein fertiges Bauteil erzielt wurde, werden die Bauteile einem Ofen zugeführt und im Ofen austenitisiert und nach dem gewünschten Austenitisierungsgrad entnommen und einem Formhärtewerkzeug aufgegeben, in dem das Bauteil durch das Fließen des Umformwerkzeuges geklemmt und hierdurch abgeschreckt und gehärtet wird.
Als Öfen sind die üblichen Durchlauföfen geeignet, die üblicherweise an ihren entsprechenden Taktraten des Prozesses angepasst sind.
Derart hergestellte Bauteile sind in der 1 anderen Bauteilen gegenübergestellt. Hierbei sind die beiden untersten Materialien erfindungsgemäße Materialien, die eine sehr hohe Festigkeitsklasse, nämlich über 2000 MPa Zugfestigkeit R_m aufweisen. Man erkennt, dass der Korrosionsschutz gegenüber dickeren Zinkschichten zwar geringer ausgebildet ist, aber Korrosionsschutz ist jedoch nicht die primäre Aufgabe der dünnen Zinkschicht. Vor allem hat das Material gegenüber höchstfesten Stahlgüten, die mit Aluminium-Silizium beschichtet sind (Al-Si) oder nicht beschichtet sind (uncoated) ein erheblich unproblematischeres Verhalten im Ofen, da keine Schutzgasatmosphäre und keine Taupunktregelung notwendig sind und das Ofenprozessfenster größer ist. Beim erfindungsgemäßen Material ist die Gefahr Wasserstoff im PHS-Ofen aufzunehmen deutlich geringer als bei einem AlSi-beschichtetem Material, und die Gefahr Wasserstoff im Zuge des Schweißens, Schneidens, des Phosphatierens, einer kathodischen Tauchlackierung oder einer möglichen Korrosion aufzunehmen ist erheblich geringer als bei dickeren Zinkschichten. Überraschend ist, dass das Material sich in erheblich besserer Weise als alle Materialien kleben lässt und insofern für Anwendungen, in dem ein geklebter Aufbau verwendet wird, geradezu prädestiniert ist und hier zudem die Möglichkeit bietet sehr hochfeste Stahlgüten einzubringen.
Bei der Erfindung ist somit von Vorteil, dass ein Stahlmaterial geschaffen wird, welches ein verbessertes Aufheizverhalten im Ofen besitzt, welches eine niedrigere Ofenverweilzeit und damit höhere Taktraten ermöglicht.
Darüber hinaus ist das Material gegenüber normal verzinktem Material oder Aluminium-Silizium-beschichteten Material mit einer vergleichbaren Zugfestigkeit unempfindlicher gegen Wasserstoffeinlagerungen, sowohl während des Austenitisierens als auch bei weiteren Prozessschritten.
Zudem kann überraschenderweise die dünne Zinkschicht auch beim Umformen die gleichen niedrigen Reibwerte sicherstellen, wie deutlich dickere Beschichtungen.

Claims

Stahlmaterial zur Herstellung hoch- bzw. höchstfester Bauteile mit einer Zugfestigkeit R_m > 1600 MPa, insbesondere > 1800 MPa und insbesondere > 2000 MPa, wobei das Stahlmaterial ein Bor-Mangan-Stahl ist, der einen Kohlenstoffgehalt > 0,30 Masse-% aufweist, wobei das Stahlmaterial zu einem Band mit einer Dicke von 0,5 bis 3 mm warmgewalzt oder warmgewalzt und kaltgewalzt ist, wobei das Band eine dünne Beschichtung aus Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink ein Auflagengewicht von < 50 g/m² je Bandseite des Stahlbandes aufweist.
Stahlmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff folgende Legierungszusammensetzung aufweist (alle Angaben in Masse-%): Kohlenstoff (C) 0,30-0,60 Mangan (Mn) 0,5-3,0 Aluminium (Al) 0,01-0,30 Silizium (Si) 0,01-0,5 Chrom (Cr) 0,01-1,0 Titan (Ti) 0,01-0,08 Niob (Nb) 0,001-0,06 Stickstoff (N) < 0,02 Bor (B) 0,002-0,02 Phosphor (P) < 0,015 Schwefel (S) < 0,010 Molybdän (Mo) < 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Stahlmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff folgende Legierungszusammensetzung aufweist (alle Angaben in Masse-%): Kohlenstoff (C) 0,32-0,38 Mangan (Mn) 0,8-1,5 Aluminium (Al) 0,025-0,20 Silizium (Si) 0,01-0,5 Chrom (Cr) 0,01-0,25 Titan (Ti) 0,025-0,08 Niob (Nb) 0,001-0,06 Stickstoff (N) < 0,006 Bor (B) 0,002-0,008 Phosphor (P) < 0,012 Schwefel (S) < 0,002 Molybdän (Mo) < 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Stahlmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial folgende Bedingung erfüllt (in Masse-%) $Soll - Ladelufteffizienz$
Stahlmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflagengewicht < 45 g/m² insbesondere < 40 g/m² je Bandseite des Stahlbandes aufweist.
Stahlmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink auf dem Stahlband durch eine Temperaturbehandlung in eine Zink-Eisen-Schicht umgewandelt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Stahlmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Schmelze für einen Bor-Mangan-Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt > 0,3 Masse-% erschmolzen wird und anschließend vergossen wird, wobei die erhaltene Bramme warmgewalzt oder warmgewalzt und kaltgewalzt wird, um ein Stahlband mit einer Dicke von 0,5 bis 3 mm zu erhalten, wobei das so erhaltene Stahlband mit Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink beschichtet wird, wobei die Beschichtung ein Auflagengewicht von < 50 g/m² pro Bandseite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkschicht durch eine auf das Verzinken folgende Wärmebehandlung in eine Zink-Eisen-Schicht mit einem Anteil von 8 bis 18 bevorzugt 10 bis 15 Masse-% Eisen umgewandelt wird,
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkschicht mittels eines Schmelztauchbeschichtens (Feuerverzinken), einem elektrolytischen Verzinken oder über ein PVD-Verfahren abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung neben Zink weitere Elemente, wie Aluminium, Magnesium, Nickel, Chrom, Zinn, Eisen oder eine Mischung derselben enthält, welche gemeinsam abgeschieden werden.
Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere gehärteten Bauteilen aus Stahlmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6 pressgehärtet oder formgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial zum Zecke des Austenitisierens auf eine Temperatur zwischen 700 und 950°C erhitzt wird, gegebenenfalls auf der Temperatur gehalten wird, bis es einen gewünschten Austenitisierungsgrad erreicht hat und anschließend gehärtet wird, wobei das Material entweder vor dem Erhitzen vollständig umgeformt wurde, oder nach dem Erhitzen umgeformt wird.