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Technisches Gebiet (Technical Field)
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils aus Stahl, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer mit einem zinkbasierten Überzug beschichteten Blechplatine aus Stahl,
- - Umformen der Blechplatine zu einem geformten Blechbauteil,
- - zumindest teilbereichsweises Erwärmen des geformten Blechbauteils auf eine Temperatur von mindestens Ac1,
- - zumindest teilbereichsweises Härten des warmen Blechbauteils zur Herstellung des zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein zumindest teilbereichsweise gehärtetes Blechbauteil aus Stahl.
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Technischer Hintergrund (Background Art)
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(Kalt)-Umgeformte Blechbauteile aus Stahl, welche im Anschluss an den oder die formgebenden Schritte gehärtet, insbesondere pressgehärtet, werden sollen, was in Fachkreisen als indirekte Warmumformung bekannt ist, müssen verschiedenen Anforderungen genügen. Insbesondere bei Verwendung eines metallischen Überzugs, vorzugsweise auf Zinkbasis, dürfen die Blechbauteile während des (Press-)Härteprozesses im Wesentlichen keine weitere Umformung erfahren, da es sonst zu einer Flüssigmetallversprödung durch Zink kommen kann, was bei Vorliegen von Zugspannungen zu Rissen nicht nur innerhalb des Überzugs sondern auch bis in das Substrat (Blech) führen würde. Die der indirekten Warmumformung zugeführten bereits im Wesentlichen fertig geformten Blechbauteile sollten daher im Wesentlichen der finalen Geometrie entsprechen. Die fertig geformten Blechbauteile erfahren zunächst eine teilbereichsweise oder vollständige Erwärmung auf eine Temperatur von mindestens Ac1, vorzugsweise von mindestens Ac3, um eine teilbereichsweise bzw. vorzugsweise vollständige Umwandlung der Gefügestruktur des Blechbauteils in Austenit zu bewirken. Nach dem Erwärmen wird das heiße Blechbauteil einem (Press-)Härtewerkzeug zugeführt, welches mindestens ein Härtegesenk und in einer möglichen Ausführung auch mindestens einen Härtestempel umfasst, welche Werkzeugwirkflächen aufweisen, die in Kontakt mit dem Blechbauteil gelangen und im Wesentlichen der Geometrie und/oder Dimensionierung des fertig geformten respektive des gehärteten Blechbauteils entsprechen, wobei das (Press-) Härtewerkzeug insbesondere aktiv gekühlt sein kann, um dem zwischen Gesenk und Stempel angeordneten heißen Blechbauteil im geschlossenen Zustand des Härtewerkzeugs durch insbesondere beidseitigen Werkzeugkontakt gezielt Wärme zu entziehen und damit zumindest teilbereichsweise oder vollständig eine Umwandlung in eine im Wesentlichen martensitische Gefügestruktur zu erzwingen, was dem gehärteten Blechbauteil die gewünschten Eigenschaften verleiht, vgl.
DE 10 2004 038 626 B3 .
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Eine durch Kaltumformen eingestellte Geometrie des Blechbauteils sollte nach Möglichkeit auch während bzw. nach dem Aufheizen (Austenitisieren) in einem Ofen, insbesondere in einem Durchlaufofen, erhalten bleiben, was durch eine inhomogene Spannungsverteilung in konventionell umgeformten Blechbauteilen, die ihrerseits unregelmäßigen Verzug verursacht, erschwert wird. Der Wärmeverzug erschwert dabei nicht nur das Einlegen der heißen Blechbauteile in das (Press-) Härtewerkzeug und führt zu unerwünschten Zugspannungen, sondern macht zusätzlich den Transport der heißen Blechbauteile im Ofen (Durchlaufofen) über Warenträger und ein komplexes Handhabungssystem beim Zuführen respektive Transfer vom Ofen zum (Press-)Härtewerkzeug erforderlich.
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Des Weiteren wird beim konventionellen Umformen, beispielsweise bei Tiefziehprozessen, der Materialfluss üblicherweise mittels aktiver Blechhalter gesteuert, was zu stark variierenden Blechdicken am fertig geformten Blechbauteil führen kann. Um während des Härteprozesses die erforderlichen Abkühlgeschwindigkeiten (gezielter Wärmeentzug) für eine homogene Härteverteilung zu erreichen, ist jedoch ein möglichst vollständiger, beidseitiger Kontakt zu den insbesondere aktiv gekühlten Werkzeugwirkflächen erforderlich. Zusätzlich ist der Zargenöffnungswinkel der Blechbauteile entsprechend groß zu wählen, um so über genügend hohe Druckkräfte den Wärmeübergang zwischen Härtewerkzeug (Wirkflächen) und Zarge des Blechbauteils zu verbessern.
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Beispielsweise erfordern konventionelle Tiefziehprozesse ein homogenes Einlaufen des Blechs in die Form und damit verhältnismäßig große Ziehradien, was sich negativ auf die Bauteilsteifigkeit und Bauraumausnutzung auswirken kann. Bei Verwendung eines mit einem auf Zinkbasis beschichteten Blechs kann es gleichzeitig bei Prozessen mit aktiver Materialflusssteuerung infolge einer höheren Flächenpressung im Bereich der Ziehradien und Blechhaltung zu einem Zinkabrieb, was den Einsatz von Blechen mit dickeren zinkbasierten Überzügen zur Einhaltung gewisser Korrosionsvorgaben notwendig macht, kommen. Ein dickerer zinkbasierter Überzug erfordert dabei wiederrum eine längere Ofenverweilzeit und ist damit wenig kosten- und energieeffizient.
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Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils bereitzustellen, mit welchem die vorgenannten Nachteile und Problemstellungen im Wesentlichen vermieden oder zumindest wesentlich reduziert werden können und ein entsprechendes zumindest bereichsweise gehärtetes Blechbauteil anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Umformen, insbesondere zu einem Blechbauteil vor dem anschließenden Härten in einem (Press-)Härtewerkzeug, mindestens zwei Schritte umfasst, wobei in einem ersten Schritt eine Vorform aus der Blechplatine derart erzeugt wird, dass in der Vorform zumindest teilbereichsweise überschüssiges Blechmaterial vorgesehen wird, und in einem weiteren Schritt die Vorform zumindest teilbereichsweise einer Druckumformung zur Herstellung des geformten Blechbauteils unterzogen wird, wobei durch die Druckumformung das überschüssige Blechmaterial zum Fließen gebracht wird und zu einer zumindest teilbereichsweisen Druckspannungsüberlagerung im geformten Blechbauteil führt.
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Es wurde festgestellt, dass in der Vorform zumindest teilbereichsweise im Querschnitt ein inhomogener Spannungszustand vorherrscht, welcher auch bei der konventionellen Umformung zur Herstellung von geformten Blechbauteilen für die indirekte Warmumformung auftritt. Durch die Druckumformung wird das überschüssige Blechmaterial zum Fließen gebracht, so dass es zu einer zumindest teilbereichsweisen Druckspannungsüberlagerung im geformten Blechbauteil kommt, wobei der inhomogene Spannungszustand in der Vorform durch die Druckumformung in dem weiteren Schritt neu ausgerichtet und dadurch eine homogene Spannungsverteilung im geformten Blechbauteil eingestellt werden kann. Die Druckumformung respektive Druckspannungsüberlagerung erfolgt insbesondere in Richtung der Blechebene im Zuge eines Stauchens und/oder Kalibrierens, wobei die Vorform in mindestens einem Stauch- und/oder Kalibrierwerkzeug eingesetzt werden kann.
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Des Weiteren wurde festgestellt, dass die vorliegende Blechdickenverteilung nach der Erzeugung der Vorform und dem anschließenden (Press-)Härten sich homogener über das Bauteil darstellen lässt als bei einem konventionellem Ziehprozess.
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Durch die Druckumformung in Kombination mit dem überschüssigen Material und die damit verbundene Druckspannungsüberlagerung wird zumindest teilbereichsweise eine homogene Spannungsverteilung im geformten Blechbauteil, insbesondere auch über die Dicke des geformten Blechbauteils, eingestellt, so dass beim Erwärmen des erfindungsgemäß geformten Blechbauteils auf eine Temperatur von mindestens Ac1 in einem Ofen, insbesondere in einem Durchlaufofen, nur gleichgerichtete Druckspannungen im Blechbauteil freigesetzt werden, was den Wärmeverzug reduzieren kann. Dadurch ist eine einfache Handhabung beim Transfer und Einlegen des warmen Blechbauteils in ein (Press-)Härtewerkzeug möglich, aber bauteilspezifisch kann auch aufgrund des erfindungsgemäßen zu einem geringeren Wärmeverzug neigenden warmen Blechbauteils auf ein Warenträger im Durchlaufofen verzichtet werden.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäß geformte Blechbauteil insbesondere auf eine Temperatur von mindestens Ac3 erwärmt. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäß geformte Blechbauteil vollständig auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als Ac3, so dass eine vollständige und globale Umwandlung in Austenit sichergestellt werden kann. Das (Press-)Härten erfolgt in mindestens einem (Press-)Härtewerkzeug, welches insbesondere aktiv gekühlt sein kann und entsprechende (kritische) Abkühlgeschwindigkeiten bereitstellt, um ein zumindest teilbereichsweise, insbesondere vollständig gehärtetes Gefüge in dem zu härtenden Blechbauteil einstellen zu können. Kenngrößen wie Ac1, Ac3, (kritische) Abkühlgeschwindigkeiten etc. sind abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Stahlwerkstoffs und lassen sich aus sogenannten ZTU- bzw. ZTA-Diagrammen ableiten.
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Infolge der guten Maßhaltigkeit des mittels Druckspannungsüberlagerung hergestellten Blechbauteils und der damit verbundenen homogenen Spannungsverteilung auch nach dem Aufheizen vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens Ac3 und anschließendem (Press-) Härten ergeben sich gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich reduzierte Abweichungen zur finalen Blechbauteilgeometrie, so dass infolge dessen die Gefahr des Entstehens zinkinduzierter Risse gegenüber konventionellen Umformverfahren, wie beispielsweise beim Tiefziehen, im Wesentlichen reduziert werden kann.
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Insbesondere kann das gezielte Vorsehen von überschüssigem Blechmaterial in der Regel durch Simulationen und/oder „Trial-and-Error“-Versuche ermittelt werden. Unter überschüssiges Blechmaterial ist eine zumindest teilbereichsweise Materialzugabe in Form einer auf die Abwicklung der Sollgeometrie der lokalen Querschnitte des Blechbauteils bezogene Längenzugabe, insbesondere bei konstanter Materialdicke zu verstehen und nicht eine Bereitstellung von Material in Form von Aufdickungen.
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Die Blechplatine kann entsprechend der Vorgaben aus einem bandförmigen, mit einem zinkbasierten Überzug beschichteten Stahlmaterial herausgeschnitten werden. Das Stahlmaterial weist einen härtbaren Stahlwerkstoff, beispielsweise einen Mn und B enthaltenen Stahlwerkstoff auf, und hat eine Dicke von mindestens 0,5 mm, insbesondere von mindestens 0,8 mm, vorzugsweise von mindestens 1,2 mm, besonders bevorzugt von mindestens 1,5 mm. Weiter bevorzugt beträgt die Dicke maximal 4,0 mm.
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Der zinkbasierte Überzug kann über eine elektrolytische Beschichtung oder vorzugsweise über eine Schmelztauchbeschichtung aufgebracht werden. Nach der Warmumformung respektive während des Erwärmens erfolgt eine im Wesentlichen vollständige Durchlegierung des Überzugs, wobei sich der Überzug infolge von temperaturbedingten Diffusionsprozessen mit Eisen aus dem Stahlmaterial anreichert. Zur Beschleunigung des Erwärmungsprozesses für das (Press-)Härten kann auch bereits vor dem Erwärmungsprozess im Überzug mit Eisen legiertes, sogenanntes Galvannealed Stahlblech (GA), eingesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
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Die Vorform weist einen Boden mit einer oder zwei sich an den Boden anschließende Zargen und optional mit sich an den Zargen anschließende Flansche auf. Entweder liegt in der Vorform eine gleichmäßige Verteilung an überschüssigem Blechmaterial oder überschüssiges Blechmaterial liegt gezielt zumindest teilbereichsweise im Boden und/oder in den Zargen und/ oder im Bereich zwischen Zargen und Boden (erster Übergangsbereich) und/oder optional in den Flanschen und/oder optional im Bereich zwischen Zargen und Flansche (zweiter Übergangsbereich) in der Vorform vor. Sind Flansche vorhanden, wird von einer flanschbehafteten Vorform gesprochen. Sind diese nicht vorgesehen und das Bauteil weist lediglich einen Boden mit einer oder zwei abstehenden Zargen auf, wird von einer flanschlosen Vorform gesprochen. Die Vorform kann auch auf der einen Seite nur eine Zarge und auf der anderen Seite eine Zarge mit Flansch aufweisen. Vorzugsweise kann die Vorform sowie das geformte respektive gehärtete Blechbauteil einen in seiner Längsrichtung querschnittsveränderliche Ausgestaltung aufweisen.
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Alternativ oder zusätzlich kann überschüssiges Blechmaterial insbesondere gezielt zumindest teilbereichsweise in der Vorform vorliegen, welches bei der zumindest bereichsweisen Druckumformung zu einem zumindest abschnittsweise Aufdicken der Kante der Zarge oder optional des Flansches des geformten Blechbauteils führen kann. Durch das zumindest abschnittweise Aufdicken der Kante können Mikrorisse an der Kante, welche beispielsweise im Zuge des Herausschneidens/Stanzens der Blechplatinen insbesondere aus einem bandförmigen mit einem zinkbasierter Überzug beschichteten Stahlmaterial entstanden sein können, im Wesentlichen wieder eingeformt werden, so dass zumindest im Bereich der Kante(n) in der nachfolgenden Warmumformung eine Flüssigmetallversprödung (Zinkinfiltration) im Wesentlichen verhindert bzw. reduziert werden kann.
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Die Vorform kann mittels beliebigen bzw. kombinierbaren Formgebungsverfahren im ersten Schritt der Umformung in einem oder mehreren Teilschritten erzeugt werden. Neben einem beispielsweise tiefziehartigen Formgebungsschritt kann die Erzeugung der Vorform auch eine mehrstufige Formgebung umfassend beispielsweise ein Prägen des zu erstellenden Bodens und Hochstellen bzw. Abstellen der zu erstellenden Zargen umfassen (Prägen und Hochstellen bzw. Prägen und Abkanten). Denkbar sind auch beliebige Kombinationen aus Abkanten und/oder Biegen und/oder (Ver-)Prägen und/oder Ziehen in einer oder in mehreren folgenden Operationen. Das durchgeführte Tiefziehen kann beispielsweise einstufig oder mehrstufig ausgeführt werden. Beim Umformen kann ein äußerer Blechhalter bzw. Niederhalter weggelassen werden, dem sogenannten Crash-Forming, so dass die Zargen bei der Erzeugung der Vorform im Wesentlichen keine wechselnden Biegebeanspruchungen erfahren und eine im Wesentlichen homogene Blechdickenverteilung erzielt werden kann. Dadurch lässt sich das Einlaufen des Materials über einen Ziehradius, wie dies beim konventionellen Tiefziehen mit aktiver Materialflusssteuerung der Fall wäre, und damit verbunden auch ein Fließen von Material zwischen den Zargen und dem Boden über den ersten Übergangsbereich im Wesentlichen vermeiden. Sind Flansche vorgesehen, können auch eine wechselnde Biegebeanspruchung und ein Fließen von Material zwischen den Zargen und den Flanschen über den zweiten Übergangsbereich im Wesentlichen vermieden werden. Beim Umformen mit einem äußeren Blechhalter bzw. Niederhalter kann dieser über die nominale Blechdicke hinaus distanziert werden, wobei dies im Wesentlichen keinen Einfluss auf die homogene Blechdickenverteilung hat und die abgewickelten Längen der lokalen Querschnitte im Wesentlichen wiederholbar gleich groß sind, erfahren die Zargen jedoch eine Wechselbiegebeanspruchung, die sich nachteilig durch einen nicht wiederholbaren Zargenaufsprung, insbesondere auch abhängig von der zu erzeugenden Geometrie und/oder Materialeigenschaften, zeigen können. Wie bereits angedeutet, ist beim konventionellen Tiefziehen mit aktivem, äußeren Blechhalter bzw. Niederhalter u. a. nachteilig, dass durch den Materialfluss keine homogene Blechdickenverteilung möglich ist, so dass dadurch die Längen der lokalen Querschnitte nicht reproduzierbar sind und für die indirekte Warmumformung infolge der nicht vorhandenen Homogenität der Blechdicke kein vollständiger und somit günstiger Kontakt zum (Press-)Härtewerkzeug sichergestellt werden kann.
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Es lassen sich Vorformen mit einer im Wesentlichen homogenen Dickenverteilung respektive mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke erzeugen. Dadurch können u. a. Einarbeitungsschleifen zur insbesondere Gewährleistung eines Kontakts zwischen Werkzeug zur Herstellung der Vorform und Vorform respektive des Werkzeugs (Druckumformung, Stauch- und/oder Kalibrierwerkzeug) zur Herstellung des geformten Blechbauteils und Blechbauteil im Wesentlichen reduziert werden. Gleichzeitig kann gegenüber der konventionellen Herstellung der Blechbauteile auch auf eine Vergrößerung des Zargenöffnungswinkels verzichtet werden, da bei der indirekten Warmumformung eine verbesserte Anlage-/Kontaktfläche zum (Press-) Härtewerkzeug und damit einen verbesserten Wärmeübergang beim (Press-)Härten bereitgestellt werden kann. Des Weiteren vorteilhaft kann der Zinkabrieb im Wesentlichen verringert werden, so dass eine im Wesentlichen konstante Dicke des Überzugs zur Sicherstellung des Korrosionsschutzes vorliegt. Beispielsweise kann an dem geformten Blechbauteil ein Zargenöffnungswinkel kleiner als 8°, insbesondere kleiner als 5°, vorzugsweise kleiner als 3° eingestellt werden.
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Des Weiteren kann die Dicke des zinkbasierten Überzugs gegenüber der konventionellen Herstellung von gehärteten Blechbauteilen mit konventionell geformten Blechbauteilen bei gleichwertigem Korrosionsschutz verringert werden. Dadurch kann auch die Ofenverweilzeit zum Erwärmen (Austenitisieren) und/oder Durchlegieren des Überzugs im Wesentlichen verringert werden. Bei einem vorzugsweise durch Schmelztauchbeschichten aufgebrachten zinkbasierte Überzug, insbesondere vor dem indirekten Warmumformen, kann eine Dicke des zinkbasierten Überzugs < 12 µm, insbesondere < 10 µm, vorzugsweise < 8 µm, bevorzugt < 6 µm ausgeführt werden.
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Vorzugsweise weist der zinkbasierte Überzug folgende chemische Zusammensetzung in Gew.- % auf:
- optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Mg):
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Rest Zn und unvermeidbare Verunreinigungen. In dem Zn-basierten Überzug können neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Aluminium mit einem Gehalt bis zu 5,0 Gew.-% und/oder Magnesium mit einem Gehalt bis zu 5,0 Gew.-% in dem Überzug enthalten sein. Stahlbleche mit zinkbasiertem Überzug weisen einen sehr guten kathodischen Korrosionsschutz auf, welcher seit Jahren im Automobilbau eingesetzt wird. Ist ein verbesserter Korrosionsschutz vorgesehen, weist der Überzug zusätzlich Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,05 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,5 Gew.-% auf. Aluminium kann alternativ oder zusätzlich zu Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,05 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,5 Gew.-% vorhanden sein.
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Das Stahlmaterial besteht aus einem härtbaren Stahlwerkstoff. Das Stahlmaterial weist bevorzugt folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf:
| C = 0,05 | bis | 0,5, |
| Mn = 0,3 | bis | 3,0, |
| Si = 0,05 | bis | 1,7, |
| P | bis | 0,1, |
| S | bis | 0,1, |
| N | bis | 0,1, |
sowie optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Ti, V, Nb, B, Cr, Mo, Cu, Ni, Ca):
| Al | bis | 1,0, |
| Ti | bis | 0,2, |
| V | bis | 0,5, |
| Nb | bis | 0,5, |
| B | bis | 0,01, |
| Cr | bis | 1,0, |
| Mo | bis | 1,0, |
| Cu | bis | 1,0, |
| Ni | bis | 1,0, |
| Ca | bis | 0,1, |
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Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein zumindest teilbereichsweise gehärtetes Blechbauteil aus Stahl, wobei das gehärtete Blechbauteil einen Boden mit einer oder zwei sich an den Boden anschließende Zargen und mit sich an den Zargen anschließende Flansche aufweist, wobei das Blechbauteil einen zinkbasierten Überzug umfasst. Insbesondere durch die erfindungsgemäße mindestens zwei Schritte umfassende Umformung zum Herstellen eines geformten Blechbauteils kann bei Auslegung eines flanschbehafteten, zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils ein kleiner Radius im Bereich des Übergangs zwischen Zarge und Flansch eingestellt werden, ohne dass sich das negativ auf den Zinkabrieb auswirken würde. Somit können zumindest teilbereichsweise gehärtete Blechbauteil für den Fahrzeugbau erzeugt und bereitgestellt werden, welche für bestimmte Anwendungen anspruchsvolle Radien erfordern und über die konventionelle Herstellung nicht darstellbar sind. Der Radius, insbesondere der innere Radius in zumindest einem der Bereiche zwischen Zarge und Flansch ist < 6*t, insbesondere < 4*t, vorzugsweise < 2*t, wobei t der mittleren Dicke des zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils entspricht.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein zumindest teilbereichsweise gehärtetes Blechbauteil aus Stahl, wobei das gehärtete Blechbauteil einen Boden mit einer oder zwei sich an den Boden anschließende Zargen und optional mit sich an den Zargen anschließende Flansche aufweist, wobei das Blechbauteil einen zinkbasierten Überzug umfasst. Die Dickenverteilung der sich einstellenden Blechbauteildicke an dem zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteil aus Stahl kann in einem Bereich von +/- 15 %, insbesondere +/-10 %, vorzugsweise +/- 8 % bezogen auf die Ausgangsblechdicke der eingesetzten Blechplatine liegen. Aus der Dickenverteilung der sich einstellenden Blechbauteildicke lässt sich eine mittlere Dicke (Blechbauteildicke) für das gesamte zumindest teilbereichsweise gehärtete Blechbauteil aus Stahl bestimmen. Beispielsweise infolge zu berücksichtigender lokaler Einprägungen wie Markierungsstempeln, weisen mindestens 97,5 %, der Fläche des zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils eine Blechbauteildicke von mindestens 85 %, insbesondere von mindestens 90 %, vorzugsweise von mindestens 92 % bezogen auf die mittlere Dicke des zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils auf. Das zumindest teilbereichsweise gehärtete Blechbauteil aus Stahl kann flanschlos ausgebildet sein oder einen oder zwei Flansche aufweisen.
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Das zumindest teilbereichsweise, insbesondere vollständig gehärtete Blechbauteil weist ein Gefüge aus Martensit mit mindestens 50 %, insbesondere mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % auf, wobei andere bzw. verbleibende Gefügebestandteile in Form von Bainit, Austenit, Restaustenit, Zementit, Perlit und/oder Ferrit vorhanden sein können. Insbesondere besteht der verbleibende nicht martensitische Gefügeanteil zum größten Teil aus Bainit, wobei vorzugsweise Perlit und/oder Ferrit mit bis zu 10 %, bevorzugt mit bis zu 5 % vorliegen können. Der im zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteil vorliegende Restaustenit kann bis maximal 10 %, insbesondere bis maximal 5 %, vorzugsweise bis maximal 3 % vorliegen. Vorzugsweise besteht das Gefüge zu 100 % aus Martensit, wodurch die höchstmögliche Härte, insbesondere in Verbindung mit den entsprechend eingesetzten Legierungselementen, bereitgestellt werden kann. Das Gefüge kann optional bis maximal 2 % herstellungsbedingte, unvermeidbare Gefügebestandteile wie Zementit oder andere Ausscheidungen wie Carbide, Nitride und/oder Oxide sowie deren Mischformen aufweisen.
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Alle Angaben zu Gehalten der in der vorliegenden Anmeldung angegebenen Legierungselemente sind auf das Gewicht bezogen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt. Alle Gehalte sind daher als Angaben in Gew.-% zu verstehen. Die angegebenen Gefügebestandteile werden durch ein geeignetes Auswerteverfahren, z. B Auswertung licht- oder elektronenmikroskopischer Untersuchungen insbesondere an einem oder mehreren Schliffbildern bestimmt und sind daher als Flächenanteile in Flächen-% zu verstehen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt. Eine Ausnahme hiervon bildet der Gefügebestandteil Austenit bzw. Restaustenit, welcher als Volumenanteil in Vol.-% angegeben wird, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine Blechplatine,
- 2 einen Querschnitt durch eine Vorform und
- 3 einen Querschnitt durch ein geformtes Blechbauteil bzw. gehärtetes Blechbauteil.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
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In 1 ist beispielsweise eine Blechplatine (1) im Querschnitt dargestellt, welche von einem nicht dargestellten bandförmigen mit einem zinkbasierten Überzug (1.2) beschichteten Stahlmaterial (1.1) abgewickelt, herausgeschnitten und dem weiteren Verfahren zur Verfügung gestellt wird. Das Stahlmaterial (1.1) besteht aus einem härtbaren Stahlwerkstoff. Die Dicke des Stahlmaterials (1.1) beträgt 0,5 bis 4 mm. Die Dicke des zinkbasierten Überzugs (1.2) vor der indirekten Warmumformung ist < 12 µm, wobei der Überzug neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen auch Aluminium bis zu 5 Gew.-% und/oder Magnesium bis zu 5 Gew.-% enthalten kann.
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Die Blechplatine (1) wird bereitgestellt, aus welcher eine Vorform (2) hergestellt wird, wobei die Vorform (2) einen Boden (2.1) mit zwei sich an den Boden (2.1) anschließende Zargen (2.2) und mit sich an den Zargen (2.2) anschließende Flansche (2.3) aufweist. Soll ein flanschloses Blechbauteil, hier nicht dargestellt, hergestellt werden, können die Flansche (2.3) bei Bedarf entfallen oder im Zuge des Verfahrens abgeschnitten werden. Die Zargen (2.2) sind einstückig mit dem Boden (2.2) verbunden. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Vorform (2) erfindungsgemäß in einem ersten Schritt der Umformung zur Herstellung eines geformten Blechbauteils (3) in einem oder mehreren Teilschritten durch hier nicht dargestellte Umformverfahren erzeugt, beispielsweise durch Tiefziehen, Crash-Forming, Ziehen, Prägen und Abkanten, Prägen und Abstellen oder eine Kombination daraus. Bevorzugt erfolgt ein Crash-Forming. Insbesondere erfolgt der erste Schritt der Umformung derart, dass in der Vorform (2) zumindest teilbereichsweise überschüssiges Blechmaterial (2.11, 2.12, 2.21, 2.23, 2.31), insbesondere durch eine zumindest abschnittsweise Längenzugabe im Vergleich zur Abwicklung der Sollgeometrie des geformten Blechbauteils (3) vorgesehen ist. Das überschüssige Blechmaterial (2.11, 2.12, 2.21, 2.23, 2.31) kann gleichmäßig, insbesondere über den gesamten Querschnitt und/oder Dicke der Vorform (2), verteilt sein oder gezielt zumindest teilbereichsweise im Boden (2.11) und/oder in den Zargen (2.21) und/oder im Bereich (2.12) zwischen Zargen (2.2) und Boden (2.1) und/oder optional in den Flanschen (2.31) und/oder optional im Bereich (2.23) zwischen Zargen (2.2) und Flansche (2.3) in der Vorform (2) vorliegen. In 2 ist überschüssiges Material im Boden (2.1) in Form einer Welle (2.11) als Längenzugabe dargestellt.
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In einem weiteren Schritt der Umformung wird die Vorform (2) zumindest teilbereichsweise einer Druckumformung zur Herstellung des geformten Blechbauteils (3) unterzogen, wobei durch die Druckumformung das überschüssige Blechmaterial (2.11, 2.12, 2.21, 2.23, 2.31) zum Fließen gebracht wird und zu einer zumindest teilbereichsweisen Druckspannungsüberlagerung im geformten Blechbauteil (3) führt, 3. Eine Druckumformung respektive Druckspannungsüberlagerung erfolgt insbesondere in Richtung der Blechebene im Zuge eines Stauchens und/oder Kalibrierens. Im Unterschied zur konventionellen Herstellung kann im Zuge der Druckumformung respektive Druckspannungsüberlagerung der in der Vorform (2) vorherrschende inhomogene Spannungszustand neu ausgerichtet und dadurch eine homogene Spannungsverteilung im geformten Blechbauteil (3) eingestellt werden und somit für den weiteren Prozess ein Wärmeverzug armes Blechbauteil (3) bereitgestellt werden, welches eine geringe Neigung zur zinkinduzierten Rissbildung bei der anschließenden indirekten Warmumformung aufweist.
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Nicht dargestellt, wird das erfindungsgemäß geformte Blechbauteil (3) zumindest teilbereichsweise, insbesondere auf eine Temperatur von mindestens Ac3 erwärmt. Besonders bevorzugt erfolgt eine vollständige Erwärmung auf eine Temperatur, die höher ist als Ac3. Die Erwärmung erfolgt in einem Ofen, welcher insbesondere als Durchlaufofen ausgebildet ist. Die Ofenverweilzeiten hängen ab von der Dicke des Stahlmaterials (1.1) und des zinkbasierten Überzugs (1.2), vom Austenitisierungsgrad, bevorzugt wird ein (voll-)austenitisches Gefüge, und auch vom Durchlegierungsgrad des Überzugs, so dass die im Wesentlichen dicken- und temperaturabhängigen Verweilzeiten zwischen 50 und 1200s, insbesondere zwischen 100 und 600s betragen können. Direkt im Anschluss erfolgt ein Transfer des warmen Blechbauteils (3) und ein Einlegen in ein (Press-)Härtewerkzeug, welches insbesondere aktiv gekühlt sein kann und entsprechende (kritische) Abkühlgeschwindigkeiten bereitstellt, um ein zumindest teilbereichsweise, insbesondere vollständig gehärtetes Gefüge in dem zu härtenden Blechbauteil (4) einstellen zu können. Die mittlere Abkühlgeschwindigkeit zum (Press-) Härten liegt zumindest teilbereichsweise bei mindestens 20 K/s, insbesondere bei mindestens 50 K/s, vorzugsweise oberhalb von 100 K/s. Der legierte Überzug weist infolge der Eisendiffusion bei der Erwärmung nach dem (Press-)Härten zumindest teilbereichsweise eine Überzugsdicke von mindestens 10 µm, insbesondere mindestens 15 µm, vorzugsweise mindestens 20 µm auf.
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Insbesondere durch die erfindungsgemäße mindestens zwei Schritte umfassende Umformung zum Herstellen eines geformten Blechbauteils (3) kann bei Auslegung eines flanschbehafteten, zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils ein kleiner Radius (r) im Bereich des Übergangs zwischen Zarge (4.2) und Flansch (4.3) eingestellt werden, ohne dass sich das negativ auf den Zinkabrieb auswirken würde. Somit können zumindest teilbereichsweise, insbesondere vollständig gehärtete Blechbauteile (4) für den Fahrzeugbau erzeugt und bereitgestellt werden, welche einen inneren Radius (r) in zumindest einem der Bereiche zwischen Zarge (4.2) und Flansch (4.3) mit < 6*t aufweist, s. 3, wobei t der mittleren Dicke des zumindest teilbereichsweise gehärteten Blechbauteils (4) entspricht.
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Die beschriebenen Merkmale sind alle, soweit technisch möglich, miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004038626 B3 [0003]
