DE102021131713A1

DE102021131713A1 - Verfahren zur verbesserung der zähigkeit von presshärtendem stahl

Info

Publication number: DE102021131713A1
Application number: DE102021131713.4A
Authority: DE
Inventors: Lu Qi; Jianfeng Wang; Zhisong Chai; Wei Xu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2023-05-04
Also published as: CN116065004A; US20230140215A1

Abstract

Die Verfahren umfassen das Pressen und Abschrecken eines erhitzten Rohlings in einem Formwerkzeug, um den geformten Stahlgegenstand zu bilden. Ein erster Teil des erhitzten Rohlings wird selektiv mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, und ein zweiter Teil des erhitzten Rohlings wird selektiv mit einer niedrigeren zweiten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt. Der geformte Stahlgegenstand weist eine Legierung mit Chrom von ≥ ungefähr 0,5 bis ≤ ungefähr 6 Gew.-%, Kohlenstoff von ≥ ungefähr 0,01 bis ≤ ungefähr 0,5 Gew.-%, Mangan von ≥ ungefähr 0 bis ≤ ungefähr 3 Gew.-%, Silicium von ≥ ungefähr 0,5 bis ≤ ungefähr 2 Gew.-%, Stickstoff mit ≥ 0 bis ≤ ungefähr 0,01 Gew.-%, Nickel mit ≥ 0 bis ≤ ungefähr 5 Gew.-%, Kupfer mit ≥ 0 bis ≤ ungefähr 5 Gew.-%, Molybdän mit ≥ 0 bis ≤ ungefähr 5 Gew.-%, Vanadium mit ≥ 0 bis ≤ ungefähr 1 Gew.-%, Niob mit ≥ 0 bis ≤ ungefähr 0,1 Gew.-% und einen Rest Eisen auf.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Bei verschiedenen Herstellungsverfahren, z.B. in der Automobilindustrie, können Blechteile oder -rohlinge geprägt werden, wobei das Blechteil zwischen zwei Formwerkzeuge gepresst wird, um ein komplexes dreidimensional geformtes Bauteil herzustellen. Ein Blechrohling wird in der Regel zunächst aus einem Coil aus Blechmaterial geschnitten. Das Blechmaterial wird nach seinen gewünschten Eigenschaften ausgewählt, wie z.B. Festigkeit, Duktilität und anderen mit der Metalllegierung verbundenen Eigenschaften.
Presshärtender Stahl (PHS-Stahl), auch „heißgeprägter Stahl“ oder „warmumgeformter Stahl“ genannt, ist einer der stärksten Stähle, die für Anwendungen im Automobilbau verwendet werden. Bei bestimmten Anwendungen kann PHS-Stahl Zugfestigkeitseigenschaften von ungefähr 1.500 Megapascal (MPa) aufweisen. Ein solcher Stahl weist wünschenswerte Eigenschaften auf, wie z.B. die Formung von Stahlbauteilen mit einem deutlich verbesserten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. PHS-Bauteile werden in verschiedenen Branchen und Anwendungen immer häufiger eingesetzt, z.B. in der allgemeinen verarbeitenden Industrie, im Baugewerbe, in der Automobilindustrie oder in anderen Transportbranchen, im Wohnungs- oder Industriebau und dergleichen. Zum Beispiel ist bei der Herstellung von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, eine kontinuierliche Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und der Leistung wünschenswert; daher werden zunehmend PHS-Bauteile verwendet. PHS-Bauteile werden häufig zum Ausbilden von tragenden Bauteilen, wie z.B. Türträgern, verwendet, die in der Regel hochfeste Werkstoffe erfordern. Somit sollen diese Stähle im Endzustand eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Duktilität aufweisen, um äußeren Kräften, wie z.B. dem Eindringen in den Fahrgastraum, zu widerstehen, ohne zu brechen, um die Insassen zu schützen.
Bei vielen PHS-Verfahren wird ein Stahlblechrohling in einem Ofen austenitisiert und unmittelbar danach in Formwerkzeugen gepresst und abgeschreckt. Die Austenitisierung erfolgt normalerweise im Bereich von ungefähr 880 °C bis 950 °C. PHS-Verfahren können indirekt oder direkt sein. Beim direkten Verfahren wird das PHS-Bauteil gleichzeitig zwischen Formwerkzeugen umgeformt und gepresst, wodurch der Stahl abgeschreckt wird. Beim indirekten Verfahren wird das PHS-Bauteil vor dem Austenitisieren und den anschließenden Press- und Abschreckschritten zu einer zwischenstuflichen Teilform kalt umgeformt. Das Abschrecken des PHS-Bauteils härtet das Bauteil durch Umwandlung des Mikrogefüges von Austenit in Martensit.
Der PHS-Stahl kann durch differenzierende Kühlung abgeschreckt werden, wobei die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften des PHS-Bauteils durch unterschiedliche Kühlbedingungen lokal angepasst werden können. Abkühlgeschwindigkeiten über 27 K/s führen bei einem Bor-Mangan-Stahl (z.B. 22MnB5) zur Bildung eines martensitischen Gefüges, während niedrigere Abkühlgeschwindigkeiten die Bildung eines duktileren Mikrogefüges mit geringerer Festigkeit erzwingen, wie z.B. Bainit und Ferrit-Perlit. Dementsprechend sind Verfahren zur Herstellung bedarfsgerechter Abschreck- und Legierungszusammensetzungen zur Verbesserung der Festigkeit und/oder Duktilität erwünscht.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Bei bestimmten Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum selektiven Abschrecken wenigstens eines Bereichs eines geformten Stahlgegenstands. Das Verfahren kann das Pressen und Abschrecken eines erhitzten Rohlings in einem Formwerkzeug umfassen, um den geformten Stahlgegenstand zu bilden. Das Pressen und Abschrecken umfasst das selektive Abkühlen eines ersten Teils eines erhitzten Rohlings mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit und das selektive Abkühlen eines zweiten Teils des erhitzten Rohlings mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit niedriger ist als die zweite Abkühlgeschwindigkeit. Der geformte Stahlgegenstand weist eine Legierungszusammensetzung auf, die Folgendes umfasst: Chrom (Cr) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-%, Mangan (Mn) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, Silicium (Si) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Stickstoff (N) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-%, Nickel (Ni) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Molybdän (Mo) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Vanadium (V) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Niob (Nb) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-%, und wobei der Rest der Legierungszusammensetzung Eisen ist.
Bei einem Aspekt weist der erste Teil nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils und dem selektiven Abkühlen des zweiten Teils eine höhere Duktilität auf als der zweite Teil.
Bei einem Aspekt weist der erste Abschnitt nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils einen Biegewinkel von größer oder gleich 90° auf.
Bei einem Aspekt umfasst die Legierungszusammensetzung ferner wenigstens eines der Elemente Nickel, Molybdän, Kupfer, Niob, Vanadium oder Titan.
Bei einem Aspekt umfasst das Formwerkzeug eine erste Außenform mit einem ersten Oberflächenbereich, der dem ersten Bereich des erhitzten Rohlings entspricht, und einem zweiten Oberflächenbereich, der dem zweiten Bereich des erhitzten Rohlings entspricht. Der erste Oberflächenbereich der ersten Außenform umfasst ein erstes Material mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als ein zweites Material des zweiten Oberflächenbereichs.
Bei einem Aspekt umfasst das Formwerkzeug eine erste Außenform mit einem ersten Bereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem ersten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln, und einem zweiten Bereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem zweiten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln. Der erste Bereich der ersten Au-ßenform umfasst eine erste Vielzahl von Kühlkanälen und der zweite Bereich umfasst eine zweite Vielzahl von Kühlkanälen. Die erste Vielzahl von Kühlkanälen ist von der zweiten Vielzahl von Kühlkanälen verschieden.
Bei einem Aspekt umfasst das Formwerkzeug eine erste Außenform mit einem ersten Oberflächenbereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem ersten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln, und einem zweiten Oberflächenbereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem zweiten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln. Der erste Oberflächenbereich weist eine erste Oberflächenrauigkeit auf, die geringer ist als eine zweite Oberflächenrauigkeit des zweiten Oberflächenbereichs.
Bei einem Aspekt umfasst das Formwerkzeug eine erste Außenform mit einem ersten Bereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem ersten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln, und einem zweiten Bereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem zweiten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln. Der erste Bereich der ersten Au-ßenform ist dazu ausgelegt, einen ersten Berührungsdruck mit dem ersten Teil des erhitzten Rohlings aufzuweisen, der größer ist als ein zweiter Berührungsdruck des zweiten Bereichs mit dem zweiten Teil des erhitzten Rohlings.
Bei einem Aspekt umfasst das Formwerkzeug eine erste Außenform mit einem ersten Bereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem ersten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln, und einem zweiten Bereich, der dazu ausgelegt ist, sich mit dem zweiten Teil des erhitzten Rohlings zu koppeln. Der erste Bereich der ersten Au-ßenform weist eine erste Formwerkzeugöffnung auf und der zweite Bereich weist eine zweite Formwerkzeugöffnung auf, die sich von der ersten Formwerkzeugöffnung unterscheidet.
Bei einem Aspekt weist der erste Teil des erhitzten Rohlings nach der selektiven Abkühlung ein Mikrogefüge auf, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 12 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst. Ferner weist der zweite Teil des abgekühlten, erhitzten Rohlings ein Mikrogefüge auf, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 5 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst.
Bei einem Aspekt ist die erste Abkühlgeschwindigkeit größer oder gleich 20 K/s bis kleiner oder gleich 60 K/s.
Bei bestimmten weiteren Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum selektiven Abschrecken wenigstens eines Bereichs eines geformten Stahlgegenstands. Das Verfahren umfasst das Pressen und Abschrecken eines erhitzten Rohlings, der in einem Formwerkzeug angeordnet ist, um den geformten Stahlgegenstand zu bilden. Das Pressen und Abschrecken umfasst das selektive Abkühlen des erhitzten Rohlings mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 60 K/s. Der geformte Stahlgegenstand weist eine Legierungszusammensetzung auf, die Folgendes umfasst:

Chrom (Cr) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-%, Mangan (Mn) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, Silicium (Si) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Stickstoff (N) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-%, Nickel (Ni) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Molybdän (Mo) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Vanadium (V) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Niob (Nb) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-%, und wobei der Rest der Legierungszusammensetzung Eisen ist.

Bei einem Aspekt weist der pressgehärtete Rohling nach dem selektiven Abkühlen des erhitzten Rohlings ein Mikrogefüge auf, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 12 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst.
Bei einem Aspekt umfasst die Legierungszusammensetzung ferner wenigstens eines der Elemente Nickel, Molybdän, Kupfer, Niob, Vanadium oder Titan.
Bei einem Fall erfolgt das Pressen und Abschrecken für größer oder gleich 6 Sekunden bis kleiner oder gleich 10 Sekunden.
Bei einem Aspekt ist der Berührungsdruck des Formwerkzeugs für den erhitzten Rohling größer oder gleich 0,5 MPa bis kleiner oder gleich 4 MPa.
Bei noch weiteren Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum selektiven Abschrecken wenigstens eines Bereichs eines geformten Stahlgegenstands. Das Verfahren umfasst das Pressen und Abschrecken eines erhitzten Rohlings in einem Formwerkzeug für größer oder gleich 6 Sekunden bis kleiner oder gleich 10 Sekunden mit einem Formwerkzeugberührungsdruck von größer oder gleich 0,5 MPa bis kleiner oder gleich 4 MPa, um den geformten Stahlgegenstand zu bilden. Das Pressen und Abschrecken umfasst das selektive Abkühlen eines ersten Teils eines erhitzten Rohlings mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit von größer oder gleich ungefähr 20 K/s bis kleiner oder gleich ungefähr 60 K/s. Das Verfahren umfasst außerdem das selektive Abkühlen eines zweiten Teils des erhitzten Rohlings mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit niedriger ist als die zweite Abkühlgeschwindigkeit. Der geformte Stahlgegenstand umfasst eine Legierungszusammensetzung, die Folgendes umfasst: Chrom (Cr) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-%, Mangan (Mn) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, Silicium (Si) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Stickstoff (N) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-%, Nickel (Ni) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Molybdän (Mo) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Vanadium (V) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Niob (Nb) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-%, und wobei der Rest der Legierungszusammensetzung Eisen ist.
Bei einem Aspekt weist der erste Teil nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils und dem selektiven Abkühlen des zweiten Teils eine höhere Duktilität auf als der zweite Teil.
Bei einem Aspekt weist der erste Teil nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils einen Biegewinkel von größer oder gleich 90° auf.
Bei einem Aspekt weist der erste Teil nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils des erhitzten Rohlings ein Mikrogefüge auf, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 12 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst, und der zweite Teil des abgekühlten erhitzten Rohlings weist ein Mikrogefüge auf, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 5 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines Mikrogefüges aus presshärtendem Stahl mit einer Martensitmatrix und einer verteilten Phase aus Restaustenit nach der Warmumformung und Presshärtung.
2 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines warmumgeformten Mikrogefüges aus pressgehärtetem Stahl, das eine Martensitmatrix mit einer verteilten Phase aus Restaustenit in einem zweiten und einem ersten Bereich gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung aufweist.
3 zeigt einen presshärtenden Stahl in einer Form zum Ausbilden/Abschrecken des Formwerkzeugs gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung in einer darstellenden Ansicht.
4A und 4B zeigen mechanische Eigenschaften eines warmumgeformten presshärtenden Stahls gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt ein hochfestes konstruktives Bauteil in Form einer herkömmlichen B-Säule für ein Kraftfahrzeug, das gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung behandelt wurde, in einer darstellenden Vorderansicht.
6 zeigt Aspekte eines Verfahrens zur Herstellung eines geformten Stahlgegenstandes gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der, die, das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Abbildungen veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Abbildungen dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und bei bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich 0,1 % umfassen.
Wie hierin verwendet, beziehen sich alle Mengenangaben auf Gewichtsprozente (oder Massenprozente), falls nicht anders angegeben.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“, wenn er auf ein charakteristisches Merkmal einer Zusammensetzung oder eines Verfahrens dieser Offenbarung angewandt wird, dass es eine Abwandlung des charakteristischen Merkmals geben kann, ohne dass dies eine wesentliche Auswirkung auf die chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Zusammensetzung oder des Verfahrens hat.
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Ausbilden von hochfesten Bauteilen aus einem neuartigen presshärtenden Stahl. Ein presshärtender Stahl weist eine maximale Zugfestigkeit von größer oder gleich genau oder ungefähr 1.000 Megapascal (MPa) auf, z.B. größer oder gleich genau oder ungefähr 1.400 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2.200 MPa.
Bei verschiedenen Ausgestaltungen kann der presshärtende Stahl die in Tabelle 1 angegebene Legierungszusammensetzung aufweisen; die Offenbarung der erfinderischen Ideen ist jedoch nicht darauf beschränkt. Bei verschiedenen Ausgestaltungen kann die Legierungszusammensetzung von Tabelle 1 verwendet werden, um ein Bauteil aus presshärtendem Stahl mit einer maximalen Zugfestigkeit von größer oder gleich genau oder ungefähr 1.300 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2.000 MPa zu bilden. Tabelle 1. Legierungszusammensetzung eines presshärtenden Stahls gemäß einigen beispielhaften Ausgestaltungen.

Sorte Beschichtung Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)

C Mn Cr Si

Beschichtungsfreier PHS-Stahl Ohne 0,01-0,40 0-3,0 0,5-6 0,5-2
Die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls kann Silicium (Si) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,6 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1,8 Gew.-% oder größer oder gleich genau oder ungefähr 0,8 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1,5 Gew.-% umfassen. Zum Beispiel kann bei verschiedenen Ausgestaltungen die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls Si in einer Konzentration von genau oder ungefähr 0,5 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,6 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,7 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,8 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,9 Gew.-%, genau oder ungefähr 1 Gew.%, genau oder ungefähr 1,1 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,2 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,3 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,4 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,5 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,6 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,7 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,8 Gew.-%, genau oder ungefähr 1,9 Gew.-%, oder genau oder ungefähr 2 Gew.-% umfassen. Dieser hohe Si-Gehalt in der Legierungszusammensetzung verbessert die Oxidationsbeständigkeit, ermöglicht die Zugabe einer geringeren Menge an Chrom, ohne dass nach der Umformung Beschichten oder Kugelstrahlen erforderlich ist, und verhindert, hemmt oder verringert die Zementitbildung während eines Abschreck- und Verteilungsprozesses.
Die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls kann außerdem Chrom (Cr) umfassen. Die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls kann Cr in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 6 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 1,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 5 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 1,75 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 4 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 3 Gew.-% oder größer oder gleich genau oder ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2,5 Gew.-% umfassen. Zum Beispiel kann bei verschiedenen Ausgestaltungen die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls Cr in einer Konzentration von genau oder ungefähr 0,5 Gew.-%, genau oder ungefähr 1 Gew.%, genau oder ungefähr 1,5 Gew.-%, genau oder ungefähr 2 Gew.-%, genau oder ungefähr 2,5 Gew.-%, genau oder ungefähr 3 Gew.-%, genau oder ungefähr 3,5 Gew.-%, genau oder ungefähr 4 Gew.-%, genau oder ungefähr 4,5 Gew.-%, genau oder ungefähr 5 Gew.-%, genau oder ungefähr 5,5 Gew.-%, oder genau oder ungefähr 6 Gew.-% umfassen.
Die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls kann außerdem Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,4 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,35 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,10 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,4 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,15 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,3 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,15 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,25 Gew.-% oder größer oder gleich genau oder ungefähr 0,15 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,2 Gew.-% umfassen. Zum Beispiel kann bei verschiedenen Ausgestaltungen die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls C in einer Konzentration von genau oder ungefähr 0,01 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,05 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,1 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,2 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,3 Gew.-%, genau oder ungefähr 0,35 Gew.-%, oder genau oder ungefähr 0,4 Gew.-% umfassen.
Die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls kann Mangan (Mn) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 3 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,25 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2,5 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2 Gew.-%, größer oder gleich genau oder ungefähr 0,75 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1,5 Gew.-% oder größer oder gleich genau oder ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1,5 Gew.-% umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls im Wesentlichen frei von Mn. Wie hierin verwendet, bezieht sich „im Wesentlichen frei“ auf den Gehalt an Spurenkomponenten, z.B. auf einen Gehalt von kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1,5 %, kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1 %, kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,5 %, oder einen Gehalt, der nicht nachweisbar ist. Bei verschiedenen Ausgestaltungen ist die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls im Wesentlichen frei von Mn oder umfasst Mn in einer Konzentration von kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,5 Gew.-%, kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1 Gew.-%, kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1,5 Gew.-%, kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2 Gew.-%, kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2,5 Gew.-%, oder kleiner oder gleich genau oder ungefähr 3 Gew.-%. Der Rest der Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls ist Eisen. Die erfinderischen Ideen sind jedoch nicht auf die oben genannten Zusammensetzungen beschränkt; beispielsweise können auch andere Metalle enthalten sein, z.B. Stickstoff, Nickel, Kupfer, Molybdän, Vanadium, Niob und dergleichen. Beispielsweise kann die Legierungszusammensetzung des presshärtenden Stahls ferner wenigstens eines der folgenden Elemente umfassen: Stickstoff (N) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,01 Gew.-%, Nickel (Ni) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 5 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 5 Gew.-%, Molybdän (Mo) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 5 Gew.-%, Vanadium (V) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0 Gew.% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1 Gew.-%, Niob (Nb) in einer Konzentration von größer oder gleich genau oder ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,1 Gew.-% oder eine Kombination davon.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mn, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich oder ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei bestimmten Abwandlungen kann der kumulative Verunreinigungsgehalt stattdessen kleiner oder gleich oder ungefähr 0,4 Gew.-%, optional kleiner oder gleich oder ungefähr 0,3 Gew.-%, optional kleiner oder gleich oder ungefähr 0,2 Gew.-% und optional kleiner oder gleich oder ungefähr 0,1 Gew.-% betragen. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mn, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mn, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mn, Al, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mn, Al, Mo, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mn, Al, Mo, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mn, Al, Mo, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mn, Al, Mo, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mn, Al, Mo, Ni, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mn, Al, Mo, Ni, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mn, N, Ni, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mn, N, Ni, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mn, Al, N, Mo, Ni, B, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mn, Al, N, Mo, Ni, B, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Bei einer Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung im Wesentlichen aus Si, Cr, C, Mo, B, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Legierungszusammensetzung aus Si, Cr, C, Mo, B, Nb, V, Fe und jedweden Verunreinigungen, die kumulativ mit kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind.
Als nicht einschränkendes Beispiel beziehen sich die Verfahren der vorliegenden Offenbarung auf bestimmte presshärtende Stähle. Bei bestimmten Aspekten weisen solche presshärtenden Stähle ein Mikrogefüge mit Restaustenit auf, der in eine Primärmatrix aus Martensit eingebettet ist, und zwar nach einem Heißpräge- und/oder Presshärtungsprozess einschließlich eines bedarfsgerechten Abkühlungsprozesses. Zum Beispiel umfasst, wie in 1 gezeigt, ein ausgewählter presshärtender Stahl 20 eine Matrix aus Martensit 22 mit einer verteilten Phase aus Restaustenit 24. Die in der schematischen Darstellung gezeigten Phasen sind lediglich repräsentativ und können unterschiedliche Morphologien/Formen, Grö-ßen und Verteilungen aufweisen. Insbesondere weisen andere hochfeste Legierungen, z.B. der am häufigsten verwendete presshärtende Stahl 22MnB5, nach dem Presshärten und Heißprägen normalerweise genau oder ungefähr 100 % Martensit auf. Der presshärtende Stahl 20 weist jedoch größer oder gleich genau oder ungefähr 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 12 Vol.-% Restaustenit 24 auf, optional größer oder gleich genau oder ungefähr 3 Vol.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 10 Vol.-%, und bei bestimmten Aspekten genau oder ungefähr 7 Vol.-% Restaustenit.
Zur Hintergrundinformation kann die Warmumformung der ausgewählten presshärtenden Stähle wie folgt durchgeführt werden. Ein Blech oder Rohling aus presshärtendem Stahl kann durch Warmumformung zu einem dreidimensionalen Bauteil geformt werden. Ein solches hochfestes dreidimensionales Bauteil kann in ein Gerät, z.B. ein Fahrzeug, eingebaut werden. Die hochfesten Strukturen eignen sich zwar besonders gut für die Verwendung in Bauteilen von Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen (z.B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern), können aber auch in einer Vielzahl anderer Industrien und Anwendungen verwendet werden, z.B. (nicht einschränkend) in Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Bürogeräten und -möbeln, Industrieanlagen und -maschinen, landwirtschaftlichen Geräten oder Schwermaschinen. Nicht einschränkende Beispiele für Bauteile und Fahrzeuge, die mit der vorliegenden Technologie hergestellt werden können, umfassen Automobile, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer. Andere beispielhafte Strukturen, die Rahmen aufweisen, die mit der vorliegenden Technologie hergestellt werden können, umfassen Konstruktionen und Gebäude wie Häuser, Büros, Brücken, Schuppen, Lagerhallen und Geräte. Das hochfeste konstruktive Bauteil eines Kraftfahrzeugs kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Schwellern, konstruktiven Säulen, A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, D-Säulen, Stoßfängern, Scharniersäulen, Querträgern, Karosserieteilen, Fahrzeugtüren, Dächern, Motorhauben, Kofferraumdeckeln, Motorträgern und bei bestimmten Abwandlungen aus Kombinationen davon besteht.
Presshärtende Stähle, die zu Bauteilen aus presshärtendem Stahl pressgehärtet werden, können einen kathodischen Schutz erfordern. Das Bauteil aus presshärtendem Stahl kann vor einer maßgeblichen Kaltvorumformung oder vor einer Austenitisierung beschichtet werden. Das Beschichten des Bauteils aus presshärtendem Stahl bildet eine Schutzschicht für das darunter liegende Stahlbauteil. Solche Beschichtungen bestehen normalerweise aus einer Aluminium-Silicium-Legierung und/oder Zink. Zinkbeschichtungen bieten einen kathodischen Schutz; die Beschichtung wirkt als Opferschicht und korrodiert anstelle des Stahlbauteils, selbst dort, wo der Stahl freiliegt. Flüssigmetallversprödung (Liquid Metal Embrittlement, LME) kann jedoch auftreten, wenn ein metallisches System während der Umformung bei hohen Temperaturen einem flüssigen Metall, wie z.B. Zink, ausgesetzt wird. Dies kann zu Rissen und einer Verringerung der Gesamtdehnung oder einer verminderten Duktilität des Materials führen. Flüssigmetallversprödung kann außerdem zu einer geringeren maximalen Zugfestigkeit führen. Um eine Flüssigmetallversprödung bei herkömmlichen Stahlpresshärteverfahren für herkömmliche presshärtende Stähle zu vermeiden, werden zahlreiche zusätzliche Bearbeitungsschritte durchgeführt, die zusätzliche Bearbeitungszeit und Kosten verursachen.
Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen ist das Bauteil aus presshärtendem Stahl beschichtungsfrei. Zum Beispiel kann die Legierungszusammensetzung von Tabelle 1 eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen, so dass kein kathodischer Schutz erforderlich ist.
Bei der Warmumformung kann der presshärtende Stahl, z.B. in Form eines Blechrohlings, in einen Ofen oder eine andere Wärmequelle eingeführt werden. Die auf den Blechrohling aufgebrachte Wärmemenge erhitzt und durchwärmt den Blechrohling auf eine Temperatur von wenigstens der Austenitisierungstemperatur des ausgewählten presshärtenden Stahls. Bei bestimmten Aspekten weist der presshärtende Stahl eine Austenitisierungstemperatur (T1) von größer oder gleich genau oder ungefähr 880 °C bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 950 °C auf. Der Blechrohling wird für einen Zeitraum durchwärmt, der ausreicht, um den presshärtenden Stahl auf einen Zielwert austenitisieren zu lassen.
Nach dem Verlassen des Ofens kann der Blechrohling in eine Prägepresse überführt werden. Die Prägepresse kann ein Formwerkzeug mit einem Kühlsystem oder -mechanismus umfassen. Das Formwerkzeug bzw. die Formwerkzeuge können zum Beispiel ein Wasserkühlsystem aufweisen, das in der Technik gut bekannt ist. Das Formwerkzeug ist dazu ausgelegt, aus dem austenitisierten Blechrohling die gewünschte dreidimensionale Endform des Bauteils zu bilden. Das Formwerkzeug kann ein erstes Umformwerkzeug und ein zweites Umformwerkzeug umfassen, die zusammengebracht werden, um die gewünschte endgültige Form des dreidimensionalen Bauteils dazwischen zu bilden.
Die gekühlten Formwerkzeuge können somit den geformten Blechrohling in kontrollierter Weise über die Oberflächen des geformten Bauteils abschrecken, um eine Phasenumwandlung von Austenit in Martensit zu bewirken. Daher können das erste und das zweite Formwerkzeug zusammenwirken, um als Kühlkörper zu fungieren und dem geformten Bauteil Wärme zu entziehen oder es auf andere Weise abzuschrecken. Bei bestimmten Abwandlungen weist der presshärtende Stahl eine kritische Abkühlgeschwindigkeit auf, die die langsamste Abkühlgeschwindigkeit ist, um die gewünschten Materialeigenschaften des Bauteils zu erzeugen. Verschiedene Bereiche des Bauteils können unterschiedliche gewünschte Materialeigenschaften und somit unterschiedliche kritische Abkühlgeschwindigkeiten aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die erste kritische Abkühlgeschwindigkeit für einen ersten Bereich des presshärtenden Stahls größer oder gleich genau oder ungefähr 40 Kelvin/Sekunde (K/s) bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 150 K/s sein. Eine zweite kritische Abkühlgeschwindigkeit für einen zweiten Bereich des presshärtenden Stahls kann größer oder gleich genau oder ungefähr 20 Kelvin/Sekunde (K/s) bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 60 K/s sein. Die ausgewählten presshärtenden Stähle der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es, dass verschiedene Bereiche unterschiedliche (z.B. bedarfsgerechte) Abkühlgeschwindigkeiten aufweisen, um unterschiedliche Materialeigenschaften zu erzeugen und gleichzeitig die Unversehrtheit des Bauteils zu erhalten. Die zweite kritische Abkühlgeschwindigkeit kann beispielsweise die Zähigkeit und die Rissbildungsbeständigkeit eines Bereichs des Bauteils verbessern und das Bauteil widerstandsfähiger gegen Versagen bei Ereignissen mit hoher Spannung/Dehnung machen. Dennoch kann das Formwerkzeug so schnell wie möglich abgekühlt werden, um den Verarbeitungsdurchsatz und die gewünschten Materialeigenschaften zu erhalten.
Bei der Warmumformung kann der Blechrohling in einen Ofen oder eine andere Wärmequelle eingeführt werden. Die auf den Blechrohling aufgebrachte Wärmemenge erhitzt und durchwärmt den Blechrohling auf eine Temperatur von wenigstens der Austenitisierungstemperatur des ausgewählten presshärtenden Stahls. Bei bestimmten Aspekten weist der presshärtende Stahl eine Austenitisierungstemperatur (T1) von größer oder gleich genau oder ungefähr 880 °C bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 950 °C auf. Der Blechrohling wird für einen Zeitraum durchwärmt, der ausreicht, um den presshärtenden Stahl auf einen Zielwert austenitisieren zu lassen.
Nach dem Verlassen des Ofens kann der Blechrohling in eine Prägepresse überführt werden. Die Prägepresse kann ein Formwerkzeug mit einem Kühlsystem oder -mechanismus umfassen. Das Formwerkzeug bzw. die Formwerkzeuge können zum Beispiel ein Wasserkühlsystem, Oberflächen mit wenigstens einer Wärmeleitfähigkeit und dergleichen aufweisen. Das Formwerkzeug ist dazu ausgelegt, aus dem austenitisierten Blechrohling die gewünschte dreidimensionale Endform des Bauteils zu bilden. Das Formwerkzeug kann ein erstes Umformwerkzeug und ein zweites Umformwerkzeug umfassen, die zusammengebracht werden, um die gewünschte endgültige Form des dreidimensionalen Bauteils dazwischen zu bilden.
Die gekühlten Formwerkzeuge können somit den geformten Blechrohling in kontrollierter Weise über die Oberflächen des geformten Bauteils abschrecken, um eine Phasenumwandlung von Austenit in Martensit zu bewirken. Daher können das erste und das zweite Formwerkzeug zusammenwirken, um als Kühlkörper zu fungieren und dem geformten Bauteil Wärme zu entziehen oder es auf andere Weise abzuschrecken. Bei bestimmten Abwandlungen können die Formwerkzeuge in verschiedenen Bereichen des geformten Blechrohlings unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten aufweisen. Bei bestimmten Abwandlungen weist der presshärtende Stahl eine kritische Abkühlgeschwindigkeit auf, die die langsamste Abkühlgeschwindigkeit ist, um einen gehärteten martensitischen Zustand von kleiner oder gleich genau oder ungefähr 100 Vol.-% im Bauteil zu erzeugen (z.B. im Wesentlichen vollständig martensitisch). Mit „im Wesentlichen vollständig“ ist gemeint, dass größer oder gleich genau oder ungefähr 80 %, größer oder gleich genau oder ungefähr 85 %, größer oder gleich genau oder ungefähr 90 % oder größer oder gleich genau oder ungefähr 95 % des Mikrogefüges aus Martensit bestehen. Die ausgewählten presshärtenden Stähle der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es, dass verschiedene Bereiche unterschiedliche (z.B. maßgeschneiderte) Abkühlgeschwindigkeiten aufweisen, um unterschiedliche Materialeigenschaften zu erzeugen und gleichzeitig die Unversehrtheit des Bauteils zu erhalten.
Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass presshärtender Stahl niedrigere kritische Abkühlgeschwindigkeiten aufweisen kann, wie z.B. genau oder ungefähr 10 K/s.
Es wird somit ein Verfahren zum Presshärten eines presshärtenden Stahls bereitgestellt, das das Herstellen eines einen presshärtenden Stahl aufweisenden Rohlings umfasst. Der Rohling wird auf eine Temperatur von größer oder gleich genau oder ungefähr 880 °C bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 950 °C erhitzt, um den presshärtenden Stahl wenigstens teilweise austenitisieren zu lassen. Der Rohling wird dann in einem Formwerkzeug pressgehärtet und bedarfsgerecht abgeschreckt, um ein pressgehärtetes Bauteil mit einem bedarfsgerechten mehrphasigen Mikrogefüge zu bilden, wie die in 2 gezeigten Mehrbereichsmikrogefüge 28 und 32 gemäß beispielhaften Ausgestaltungen. Während der Restaustenit 26 in der Martensitmatrix 24 eine größere Duktilität und/oder Energieabsorption bereitstellt, verringert der Restaustenit 26 in der Martensitmatrix 24 auch die Härte im Vergleich zu einem vollständig martensitischen Mikrogefüge. Bei bestimmten Aspekten wird nach der Warmumformung/Presshärtung ein Mikrogefüge gebildet, das einen Restaustenit, der mit kleiner oder gleich genau oder ungefähr 12 Vol.-% vorhanden ist, und einen Rest von Martensit von größer oder gleich genau oder ungefähr 70 Vol.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 95 Vol.-% aufweist. Bei bestimmten Abwandlungen stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zum selektiven bedarfsgerechten Anpassen der Härte der ausgewählten presshärtenden Stähle nach diesen Warmumformungsprozessen durch einen selektiven Abkühlungs- und Abschreckungsprozess bereit.
Wie in 2 gezeigt, weist ein warmumgeformter presshärtender Stahl 20A ein Mikrogefüge auf, das eine Matrix aus Martensit 22 mit einer verteilten Phase aus Restaustenit 24 umfasst. Die in der schematischen Darstellung gezeigten Phasen sind lediglich repräsentativ und können unterschiedliche Morphologien/Formen, Größen und Verteilungen aufweisen. Ein erster abgeschreckter Bereich 28 wurde jedoch selektiv abgekühlt und umfasst daher ein erstes Mikrogefüge 30. Bei bestimmten Abwandlungen ist das erste Mikrogefüge 30 im abgeschreckten Bereich 28 mit größer oder gleich genau oder ungefähr 95 Vol.-%, optional mit größer oder gleich genau oder ungefähr 97 Vol.-%, optional mit größer oder gleich genau oder ungefähr 99 Vol.-%, optional mit größer oder gleich genau oder ungefähr 99,7 Vol.-% und bei bestimmten Abwandlungen optional mit größer oder gleich genau oder ungefähr 99,9 Vol.-% im ersten Mikrogefüge 30 vorhanden. Anders gesagt ist der Restaustenit im ersten abgeschreckten Bereich 28 mit kleiner oder gleich genau oder ungefähr 5 Vol.-%, optional mit kleiner oder gleich genau oder ungefähr 3 Vol.-%, optional mit kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1 Vol.-%, optional mit kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,5 Vol.-%, optional mit kleiner oder gleich genau oder ungefähr 0,1 Vol.-% vorhanden.
Ein zweiter abgeschreckter Bereich 32 des presshärtenden Stahls 20A hat eine andere Abkühlgeschwindigkeit erfahren als der erste abgeschreckte Bereich 28 und kann als solcher kleiner oder gleich genau oder ungefähr 12 Vol.-% Restaustenit 24 aufweisen, optional größer oder gleich genau oder ungefähr 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 12 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten genau oder ungefähr 7 Vol.-% Restaustenit in der Matrix aus Martensit 22. Wie ersichtlich ist, wird der Austenit im ersten abgeschreckten Bereich 28 wenigstens teilweise in Martensit umgewandelt. Zwischen dem ersten abgeschreckten Bereich 28 und dem zweiten abgeschreckten unteren Bereich 32 kann ein Übergangsbereich 34 gebildet werden, der von Art und Umfang des bedarfsgerechten Abschreckprozesses abhängig ist.
Auf diese Weise können die abgeschreckten Bereiche den gewünschten Härtegrad aufweisen, während sie gleichzeitig selektiv bessere Duktilitäts- und/oder Energieaufnahmeeigenschaften aufweisen. Restaustenit verbessert die Duktilität, da er sich während der Verformung in Martensit umwandelt und somit den Bruch verzögert. Daher verbessert der Restaustenit auch die Energieaufnahme.
3 zeigt einen presshärtenden Stahl in einer Form zum Ausbilden/Abschrecken des Formwerkzeugs gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung in einer darstellenden Ansicht.
Bei bestimmten Ausgestaltungen kann der presshärtende Stahl 20A nach dem Erhitzen in ein Formwerkzeug 40 eingelegt werden. Das Formwerkzeug 40 kann eine obere Formwerkzeugaußenform 41 und eine untere Formwerkzeugaußenform 42 aufweisen. Der presshärtende Stahl 20A kann durch den Berührungsdruck des Formwerkzeugs 40 in die Form eines Bauteils gepresst werden. Die obere Formwerkzeugaußenform 41 kann einen ersten Bereich 411, der den presshärtenden Stahl 20A mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit abkühlen kann, und einen zweiten Bereich 412, der den presshärtenden Stahl 20A mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit abkühlen kann, aufweisen. Die untere Formwerkzeugaußenform 42 kann einen ersten Bereich 421, der den presshärtenden Stahl 20A mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit abkühlen kann, und einen zweiten Bereich 422, der den presshärtenden Stahl 20A mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit abkühlen kann, aufweisen. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen ist es möglich, dass nur die obere Formwerkzeugaußenform 41 den ersten und den zweiten Bereich 411, 412 aufweist, und bei einigen anderen Ausgestaltungen ist es möglich, dass nur die untere Formwerkzeugaußenform 42 den ersten und den zweiten Bereich 421, 422 aufweist.
Die ersten Bereiche 411 und 421 können eine geringere Abkühlgeschwindigkeit aufweisen als die zweiten Bereiche 412 und 422. Die erste Abkühlgeschwindigkeit kann die oben erwähnte erste kritische Abkühlgeschwindigkeit sein, und die zweite Abkühlgeschwindigkeit kann die oben erwähnte zweite kritische Abkühlgeschwindigkeit sein.
Die ersten Bereiche 411 und 421 können sich in einem Bereich des Formwerkzeugs 40 befinden, der den presshärtenden Stahl um größer als oder genau oder ungefähr 90 Grad oder um größer als oder genau oder ungefähr 45 Grad biegt und eine erste Abkühlgeschwindigkeit aufweisen kann, die zu besseren Duktilitäts- und/oder Energieadsorptionseigenschaften führt.
4A und 4B zeigen mechanische Eigenschaften eines warmumgeformten presshärtenden Stahls gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4A zeigt eine Veranschaulichung eines Vergleichs des Biegeverhaltens nach VDA 238-100 der Stahlzusammensetzung von Tabelle 1 bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten. Bei bestimmten beispielhaften Ausgestaltungen kann der warmumgeformte presshärtende Stahl bei einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit mit einem Formwerkzeugberührungsdruck von ungefähr oder genau 4 MPa abgeschreckt werden. Bei bestimmten beispielhaften Ausgestaltungen kann der warmumgeformte presshärtende Stahl bei einer hohen Abkühlgeschwindigkeit mit einem Formwerkzeugberührungsdruck von ungefähr oder genau 7 MPa abgeschreckt werden. Im Biegeversuch nach VDA 238-100 kann der warm umgeformte und bei mittlerer Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckte presshärtende Stahl bei einer Spitzenkraft von 13.204 N (± 137) einen Biegewinkel von 61,6° (±0,5) aufweisen. Im Biegeversuch nach VDA 238-100 kann der warm umgeformte und bei der hohen Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckte presshärtende Stahl bei einer Spitzenkraft von 12.914 N (± 90) einen Biegewinkel von 58,3° (±0,1) aufweisen. So kann der warm umgeformte presshärtende Stahl, der bei der mittleren Abkühlungsgeschwindigkeit abgeschreckt wird, bessere mechanische Eigenschaften aufweisen als bei hoher Abkühlgeschwindigkeit, z.B. einen höheren Biegewinkel bei größerer Kraft.
Bei bestimmten Abwandlungen kann wenigstens einer der bedarfsgerecht abgeschreckten Bereiche eine größere maximale Zugfestigkeit aufweisen als ein anderer der bedarfsgerecht abgeschreckten Bereiche. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine repräsentative Festigkeit in dem ersten bedarfsgerecht abgeschreckten Bereich mit einer niedrigeren Abkühlgeschwindigkeit größer oder gleich genau oder ungefähr 1.000 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1.700 MPa sein (oder größer oder gleich genau oder ungefähr 1.200 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1.500 MPa oder genau oder ungefähr 1,700 MPa), während ein anderer der bedarfsgerecht abgeschreckten Bereiche mit einer höheren Abkühlgeschwindigkeit eine Festigkeit von kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1.500 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 2.000 MPa (oder größer oder gleich genau oder ungefähr 1.700 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 1.900 MPa oder genau oder ungefähr 2.000 MPa) aufweisen kann. Die mechanischen Eigenschaften des warmumgeformten Bauteils können nach dem selektiven Abkühlungsprozess erheblich verbessert werden, z.B. die Ermüdungsfestigkeit und die statische/dynamische Belastbarkeit.
4B zeigt eine Veranschaulichung eines Vergleichs der Zugfestigkeit der Stahlzusammensetzung von Tabelle 1 bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten. Bei bestimmten beispielhaften Ausgestaltungen kann der warmumgeformte presshärtende Stahl bei einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit mit einem Formwerkzeugberührungsdruck von ungefähr oder genau 4 MPa abgeschreckt werden. Bei bestimmten beispielhaften Ausgestaltungen kann der warmumgeformte presshärtende Stahl bei einer hohen Abkühlgeschwindigkeit mit einem Formwerkzeugberührungsdruck von ungefähr oder genau 7 MPa abgeschreckt werden. Der warmumgeformte presshärtende Stahl, der mit der mittleren Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt wurde, kann eine maximale Zugfestigkeit (Ultimate Tensile Strength, UTS) von 1708 MPa (±6) mit einer Gesamtdehnung von 9,02 % (± 0,01) aufweisen. Der warmumgeformte presshärtende Stahl, der bei der hohen Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt wurde, kann eine maximale Zugfestigkeit von 1728MPa (±3) mit einer Gesamtdehnung von 8,53 % (± 0,23) aufweisen. So kann der warmumgeformte presshärtende Stahl, der bei der mittleren Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt wird, bessere mechanische Eigenschaften aufweisen als bei der hohen Abkühlgeschwindigkeit, z.B. die Gesamtdehnung bei minimalen Einbu-ßen der maximalen Zugfestigkeit.
Die selektiv abgeschreckten und gehärteten Bereiche können auf ausgewählten Bereichen eines dreidimensionalen pressgehärteten Teils gebildet werden. Bei verschiedenen Aspekten wird der selektive Abkühlungsprozess auf ausgewählte Bereiche des Bauteils ausgerichtet, um so wenigstens zwei unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Mikrogefügen bereitzustellen. Somit weist der wenigstens eine selektiv abgeschreckte Bereich ein erstes Mikrogefüge auf und grenzt an einen oder mehrere nicht abgeschreckte Bereiche im Bauteil mit einem zweiten Mikrogefüge an. Je nach dem selektiven Abkühlungsprozess, der zur Bildung der selektiv abgeschreckten und gehärteten Bereiche eingesetzt wird, kann ein Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrogefüge auftreten.
Bei bestimmten Aspekten wird die selektive Abkühlung dadurch erreicht, dass ein oder mehrere vorgegebene oder alternativ gewünschte Bereiche eines heißen Bauteils, das einen hochfesten Stahl mit umwandlungsbedingter Plastizität umfasst, mit einer Oberfläche eines Formwerkzeugs in Kontakt gebracht werden. Bei bestimmten Aspekten kann das Inkontaktbringen z.B. durch das Einpressen einer ersten Formwerkzeugaußenform in eine zweite Formwerkzeugaußenform erfolgen. In einem solchen Prozess können die gepressten Formwerkzeugaußenformen das warmumgeformte Bauteil durch Kontaktieren der Oberfläche des warmumgeformten Bauteils kühlen, wobei die erste und/oder die zweite Formwerkzeugaußenform wenigstens eine Wärmeleitfähigkeit, wenigstens eine Auslegung von Kühlmediumtunneln (z.B. indem das Formwerkzeug eine unterschiedliche Anzahl von Kühlmediumtunneln umfasst oder eine unterschiedliche Anzahl von Kühlmediumtunneln aktiviert wird), wenigstens eine Oberflächenrauigkeit für die Formwerkzeugaußenformen und Kombinationen davon aufweisen. Bestimmte Bereiche des Bauteils können durch wenigstens eine der ersten und/oder der zweiten Formwerkzeugaußenform mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie oben erörtert, unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten unterliegen. Bei bestimmten Ausgestaltungen können ein erster Bereich eine erste Abkühlgeschwindigkeit und ein zweiter Bereich eine zweite Abkühlgeschwindigkeit aufweisen. Für die erste Formwerkzeugaußenform kann beispielsweise Werkzeugstahl mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit in einem ersten Bereich und einer zweiten Wärmeleitfähigkeit in einem zweiten Bereich verwendet werden. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann die erste Formwerkzeugaußenform eine erste Auslegung von Kühlmitteltunneln in einem ersten Bereich und eine zweite Auslegung von Kühlmitteltunneln in einem zweiten Bereich aufweisen. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann die erste Formwerkzeugaußenform in einem ersten Bereich eine erste Oberflächenrauigkeit und in einem zweiten Bereich eine zweite Oberflächenrauigkeit der Kühlmitteltunnel aufweisen. Die obigen beispielhaften Ausgestaltungen sind nicht einschränkend, sondern beispielhaft; z.B. kann die zweite Formwerkzeugaußenform einen ersten und einen zweiten Bereich aufweisen, oder sowohl die erste als auch die zweite Formwerkzeugaußenform können einen ersten und einen zweiten Bereich aufweisen.
Bei bestimmten Aspekten kann die erste Abkühlgeschwindigkeit größer oder gleich genau oder ungefähr 20 K/s bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 60 K/s sein, optional größer oder gleich genau oder ungefähr 20 K/s bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 40 K/s, optional größer oder gleich genau oder ungefähr 40 K/s bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 60 K/s, optional genau oder ungefähr 40 K/s.
Bei bestimmten Aspekten kann die zweite Abkühlgeschwindigkeit größer oder gleich genau oder ungefähr 40 K/s bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 150 K/s sein, optional größer oder gleich genau oder ungefähr 50 K/s bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 150 K/s, optional größer oder gleich genau oder ungefähr 50 K/s bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 10 K/s, optional genau oder ungefähr 95 K/s.
Bei bestimmten Aspekten kann sich die Abkühlgeschwindigkeit mit der Zeit verändern. Beispielsweise kann das Formwerkzeug, das eine erste und eine zweite Formwerkzeugaußenform umfasst, eine erste Abkühlgeschwindigkeit und eine zweite Abkühlgeschwindigkeit aufweisen. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann die erste Abkühlgeschwindigkeit darauf zurückzuführen sein, dass das Formwerkzeug den erhitzten Rohling zwischen der ersten Formwerkzeugaußenform und der zweiten Formwerkzeugaußenform unter einen ersten Berührungsdruck setzt, und die zweite Abkühlgeschwindigkeit kann darauf zurückzuführen sein, dass das Formwerkzeug den erhitzten Rohling unter einen zweiten Berührungsdruck setzt, wobei der zweite Berührungsdruck niedriger ist als der erste Berührungsdruck. Da der zweite Berührungsdruck niedriger ist als der erste Berührungsdruck, kann die zweite Abkühlgeschwindigkeit niedriger sein als die erste Abkühlgeschwindigkeit. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das Formwerkzeug eine Haltezeit mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit aufweisen und anschließend die erste und zweite Formwerkzeugaußenform freigeben, um den Berührungsdruck auf den erhitzten Rohling für eine zweite Abkühlgeschwindigkeit zu verringern, wobei die zweite Abkühlgeschwindigkeit niedriger als die erste Abkühlgeschwindigkeit sein kann. Bei bestimmten Ausgestaltungen weist das Formwerkzeug eine erste Formwerkzeugöffnung zwischen der ersten Formwerkzeugaußenform und der zweiten Formwerkzeugaußenform mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit und eine zweite Formwerkzeugöffnung zwischen der ersten Formwerkzeugaußenform und der zweiten Formwerkzeugaußenform mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit auf, wobei die zweite Abkühlgeschwindigkeit niedriger als die erste Abkühlgeschwindigkeit sein kann.
Bei bestimmten Ausgestaltungen kann der Formwerkzeugberührungsdruck größer oder gleich genau oder ungefähr 0,5 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 4 MPa sein. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann der Formwerkzeugberührungsdruck größer oder gleich genau oder ungefähr 2 MPa bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 3 MPa sein. Bei bestimmten Aspekten kann der Formwerkzeugberührungsdruck kleiner oder gleich genau oder ungefähr 4 MPa sein.
Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das Formwerkzeug die erste Formwerkzeugaußenform und die zweite Formwerkzeugaußenform für größer oder gleich genau oder ungefähr 6 Sekunden bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 10 Sekunden zusammenhalten. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das Formwerkzeug die erste Formwerkzeugaußenform und die zweite Formwerkzeugaußenform für größer oder gleich genau oder ungefähr 7 Sekunden bis kleiner oder gleich genau oder ungefähr 10 Sekunden zusammenhalten. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das Formwerkzeug die erste Formwerkzeugaußenform und die zweite Formwerkzeugaußenform für kleiner oder gleich genau oder ungefähr 10 Sekunden zusammenhalten.
5 zeigt ein hochfestes konstruktives Bauteil in Form einer B-Säule 150 für ein Automobil in einer darstellenden Vorderansicht. Es sei darauf hingewiesen, dass 5 eine darstellende vereinfachte Version der B-Säule 150 zeigt und viele zusätzliche Teile aufweisen kann, die zusammengefügt werden, um die B-Säule 150 zu bilden. Die B-Säule 150 sollte in ihrem mittleren Abschnitt 152 eine sehr hohe Festigkeit aufweisen, während ihr oberer Abschnitt 154 und ihr unterer Abschnitt 156 ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Duktilität aufweisen sollten. Bei bestimmten Ausgestaltungen sollten Teile der B-Säule 150 mit hohen Biegewinkeln (z.B. ein Flansch, eine Rippe usw.) (z.B. Biegewinkel von größer oder gleich genau oder ungefähr 45 Grad, Biegewinkel von größer oder gleich genau oder ungefähr 90 Grad) eine erhöhte Duktilität aufweisen. Die Kombination dieser unterschiedlichen Eigenschaften begünstigt beim Einwirken einer Kraft oder eines Stoßes auf die B-Säule 150 das Ausbeulen an einer gewünschten Stelle, die der Sitzebene im Innenraum des Fahrzeugs entsprechen kann, um den/die Insassen nach der Einwirkung der Kraft oder des Stoßes zu schützen. Somit wurden gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung Teile der B-Säule 150 mit hohen Biegewinkeln (z.B. ein Flansch, eine Rippe usw.) selektiv abgeschreckt, während der Rest der B-Säule 150 selektiv mit einer höheren Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt wurde. Das selektive Abschrecken erhöht die Duktilität in den Bereichen mit hoher Biegung, in denen Stöße oder Kräfte aufgenommen werden können. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können hochfeste konstruktive Bauteile für Kraftfahrzeuge hergestellt werden, die ausgewählte Bereiche aufweisen, die bei Bedarf bedarfsgerecht abgeschreckt werden. Wie oben erörtert, können die hochfesten konstruktiven Automobilbauteile aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Schwellern, konstruktiven Säulen, A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, D-Säulen, Stoßfängern, Scharniersäulen, Querträgern, Karosserieteilen, Fahrzeugtüren, Dächern, Motorhauben, Kofferraumdeckeln, Motorträgern und bei bestimmten Abwandlungen aus Kombinationen davon besteht. Darüber hinaus können die hochfesten konstruktiven Bauteile auch in anderen Anwendungen als in der Automobilindustrie eingesetzt werden.
Auf diese Weise stellt die vorliegende Offenbarung verschiedene Möglichkeiten zum Abschrecken ausgewählter Bereiche an einem warmumgeformten Stahlbauteil bereit, das aus einem hochfesten presshärtenden Stahl hergestellt ist, der Austenit in Martensit umwandelt. Dies führt zu bedarfsgerechten Eigenschaften des gesamten heißgeprägten Stahlbauteils, wobei einige Bereiche (z.B. diejenigen, die nach der Warmumformung langsamer abgekühlt wurden) duktiler sind als andere. Dies ermöglicht die Ausbildung von bedarfsgerechten Rohlingen mit bedarfsgerechten Eigenschaften und senkt gleichzeitig die Kosten, indem die Verwendung anderer, komplizierterer/teurerer Lösungen zur Erzeugung bedarfsgerechter Eigenschaften, wie z.B. bedarfsgerecht gewalzte Rohlinge und geschweißte bedarfsgerechte Rohlingbaugruppen, vermieden wird. Bei bestimmten Aspekten weist ein Bauteil aus presshärtendem Stahl bedarfsgerechte Eigenschaften auf, die die Masse (im Vergleich zu einem Teil aus presshärtendem Stahl mit monolithischen Eigenschaften) bei geringeren Kosten (im Vergleich zu anderen Lösungen für bedarfsgerechte Eigenschaften, wie z.B. bedarfsgerecht gewalzte/geschweißte Rohlinge) reduzieren.
Unter Bezugnahme auf 6 stellt die vorliegende Technologie außerdem ein Verfahren 80 zum Ausbilden eines geformten Stahlgegenstands bereit. Bei dem geformten Stahlgegenstand kann es sich um jeden beliebigen Gegenstand handeln, der im Allgemeinen durch Heißprägen hergestellt wird, wie z.B. ein Fahrzeugteil. Nicht einschränkende Beispiele für Fahrzeuge mit Teilen, die sich für die Herstellung nach dem vorliegenden Verfahren eignen, sind Fahrräder, Automobile, Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Wohnmobile, Wohnwagen, Segelflugzeuge, Flugzeuge und Panzer.
Das Verfahren 80 umfasst das Gewinnen eines Coils 82 aus einem Metallwerkstoff mit einer Legierungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Technologie und das Ausschneiden eines Rohlings 84 aus dem Coil 82. Das Verfahren umfasst außerdem das Austenitisieren des Rohlings durch Erhitzen des Rohlings in einem Ofen 86 auf eine Temperatur oberhalb seiner Ac3-Temperatur (z.B. die Temperatur, bei der Ferrit im Wesentlichen vollständig in Austenit umgewandelt wird), um einen erhitzten Rohling zu bilden, der Austenit umfasst. Der erhitzte Rohling kann optional mit Hilfe eines Roboterarms 88 zu einer Presse 90 überführt werden. Hier umfasst das Verfahren 80 das Prägen des erhitzten Rohlings in eine vorgegebene (z.B. gewünschte) Form, um einen geprägten Gegenstand zu bilden, und das Abschrecken des geprägten Gegenstands, um einen geformten Stahlgegenstand 92 zu bilden, wobei der geformte Stahlgegenstand 92 Martensit und Austenit umfasst. Das Verfahren 80 ist frei von einem Voroxidationsschritt, einem Beschichtungsschritt und einem Entzunderungsschritt (z.B. Kugelstrahlen).
Bei einer beispielhaften Ausgestaltung wird das Abschrecken durchgeführt, indem ein erster Teil des geformten Gegenstands mit einer ersten, oben beschriebenen Abkühlgeschwindigkeit und ein zweiter Teil des geformten Gegenstands mit einer zweiten, oben beschriebenen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt werden, bis der geprägte Gegenstand eine Temperatur erreicht, die unter einer Temperatur liegt, bei der die Martensitbildung während der Abkühltemperatur (Mf-Temperatur) der Legierungszusammensetzung endet. Hier weist der geformte Stahlgegenstand ein bedarfsgerechtes Mikrogefüge mit einem Teil, der Restaustenit mit einem ersten Volumenprozentsatz in einer Martensitmatrix enthält, und einem Teil, der Restaustenit mit einem zweiten Volumenprozentsatz in einer Martensitmatrix enthält, auf, wobei der zweite Volumenprozentsatz niedriger ist als der erste, wie oben erörtert.
Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims

Verfahren zum selektiven Abschrecken wenigstens eines Bereichs eines geformten Stahlgegenstands, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Pressen und Abschrecken eines erhitzten Rohlings in einem Formwerkzeug, um den geformten Stahlgegenstand zu bilden, wobei das Pressen und Abschrecken Folgendes umfasst: selektives Abkühlen eines ersten Teils eines erhitzten Rohlings mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit und selektives Abkühlen eines zweiten Teils des erhitzten Rohlings mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit niedriger ist als die zweite Abkühlgeschwindigkeit, wobei der geformte Stahlgegenstand eine Legierungszusammensetzung umfasst, die Folgendes umfasst: Chrom (Cr) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-%, Mangan (Mn) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, Silicium (Si) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Stickstoff (N) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-%, Nickel (Ni) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Molybdän (Mo) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Vanadium (V) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Niob (Nb) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-%, und wobei der Rest der Legierungszusammensetzung Eisen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Teil nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils und dem selektiven Abkühlen des zweiten Teils eine größere Duktilität als der zweite Teil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Teil nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils einen Biegewinkel von größer oder gleich 90° aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Teil nach dem selektiven Abkühlen des ersten Teils des erhitzten Rohlings ein Mikrogefüge aufweist, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 12 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst, und der zweite Teil des abgekühlten erhitzten Rohlings ein Mikrogefüge aufweist, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 5 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit größer oder gleich 20 K/s bis kleiner oder gleich 60 K/s ist.
Verfahren zum selektiven Abschrecken wenigstens eines Bereichs eines geformten Stahlgegenstands, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Pressen und Abschrecken eines erhitzten Rohlings, der in einem Formwerkzeug angeordnet ist, um den geformten Stahlgegenstand zu bilden, wobei das Pressen und Abschrecken das selektive Abkühlen des erhitzten Rohlings mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 60 K/s umfassen, wobei der geformte Stahlgegenstand eine Legierungszusammensetzung umfasst, die Folgendes umfasst: Chrom (Cr) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 6 Gew.-%, Kohlenstoff (C) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-%, Mangan (Mn) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, Silicium (Si) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2 Gew.-%, Stickstoff (N) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-%, Nickel (Ni) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Kupfer (Cu) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Molybdän (Mo) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-%, Vanadium (V) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 1 Gew.-%, Niob (Nb) in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-%, und wobei der Rest der Legierungszusammensetzung Eisen ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der pressgehärtete Rohling nach dem selektiven Abkühlen des erhitzten Rohlings ein Mikrogefüge aufweist, das größer oder gleich 0,1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 12 Vol.-% Restaustenit in einer Martensitmatrix umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Legierungszusammensetzung ferner wenigstens eines der Elemente Nickel, Molybdän, Kupfer, Niob, Vanadium oder Titan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Pressen und Abschrecken für größer oder gleich 6 Sekunden bis kleiner oder gleich 10 Sekunden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Formwerkzeugberührungsdruck für den erhitzten Rohling größer oder gleich 0,5 MPa bis kleiner oder gleich 4 MPa ist.