DE10350885A1

DE10350885A1 - Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten, gehärteten Stahlbauteils mit unterschiedlichen Wanddicken

Info

Publication number: DE10350885A1
Application number: DE2003150885
Authority: DE
Inventors: Ludger Gehringhoff; Patrick Dr. Reinhold
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-01
Also published as: DE10350885B4

Abstract

Beschrieben wird die Herstellung eines korrosionsgeschützten, gehärteten Stahlbauteils 1 mit unterschiedlichen Wanddicken. Erfindungsgemäß wird ein Stahlband zunächst in seiner Ausgangsdicke in an sich bekannter Weise durch Abwalzen partiell reduziert. Anschließend wird das Band unter Ausbildung einer sogenannten intermetallischen Phase feueraluminiert. Eine aus diesem Band mit definierter Geometrie und in einer definierten Position entnommenen Platine wird ausschließlich warm umgeformt und im Umformwerkzeug gehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten, warmgeformten und werkzeuggehärteten Formbauteils aus einem feueraluminierten Stahlband gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
In der Kraftfahrzeugindustrie werden vielfach Struktur- und/oder Sicherheitsteile aus hochfestem Stahl eingesetzt. Dabei ist es zum einen aus der DE 02452486 C2 bekannt, eine einem Coil entnommene Platine aus Stahl auf über AC₃- Temperatur zu erwärmen, warmzuformen und im Umformwerkzeug zu härten. Durch dieses Verfahren erhält man ein Formbauteil mit guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten. Zum anderen müssen viele der so hergestellten Formbauteile zunächst von durch die Wärmebehandlungen entstandenen Oxidschichten gereinigt und anschließend mit einer Korrosionsschutzschicht versehen werden, um während des Kraftfahrzeugbetriebs die Dauerhaltbarkeit zu gewährleisten. Das Korrosionsschutzbeschichten warmgeformter und gehärteter Bauteile ist jedoch problematisch. Eine herkömmliche Zinkbeschichtung kann nicht vor dem Warmformen aufgebracht werden, weil ihr Schmelzpunkt deutlich unterhalb der Umformtemperatur des Stahls liegt. Eine nach dem Härten erfolgende Beschichtung darf keine Herabsetzung der eingestellten Festigkeitswerte durch einen wesentlichen Wärmeeintrag verursachen.

Aus der EP 1 013 785 A1 ist es bekannt, ein gewalztes Stahlblech, beispielsweise aus einem borlegierten Stahl zu tauchaltieren, auch feueraluminieren genannt, und so mit einer Aluminiumbeschichtung zu versehen. Anschließend wird das beschichtete Blech auf über 700° C erwärmt und warm tiefgezogen. Die Aluminiumschicht bildet dabei mit dem darunter liegenden Stahl eine sogenannte intermetallische Phase aus, wodurch der Schmelzpunkt der Beschichtung derart ansteigt, dass sie das Warmformverfahren übersteht. Die Beschichtung schützt den Stahl so während des Warmformens vor einer Oxidation und Entkohlung. Im Anschluß an den Warmform vorgang wird das Formbauteil mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, um hohe mechanische Härteeigenschaften des Stahls und eine hohe Oberflächenhärte des Überzugs zu erzielen. Der Überzug schützt das fertige Formbauteil vor Korrosion. Eine zusätzliche Korrosionsschutzschicht ist nicht mehr nötig. Das beschriebene beschichtete Band wird von der Firma Arcelor auch unter der Bezeichnung Usibor 1500P verkauft.

Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich die intermetallische Phase zwischen der Beschichtung und dem borlegierten Stahl bereits durch den Wärmeeintrag beim Tauchaltieren oder Feueraluminieren bildet. Die intermetallische Phase liegt daher bereits in dem beschichteten Band vor dem eigentlichen Warmformvorgang vor. Die intermetallische Phase ist jedoch so spröde, dass sie bei jedem Kaltformen reißt. Das beschichtete Band ist daher nur noch warmverformbar, sonst ist der Korrosionsschutz gefährdet und im fertigen Formbauteil nicht mehr genügend gegeben. Bereits die DE-PS 1 252 034 stellt im übrigen fest, dass ein feueraluminierter Überzug sich zwar warmformen lässt, aber die Kaltformung schlecht aushält.

Ein kalt Vorformen ist jedoch häufig eine notwendige Verfahrensvoraussetzung zur Erzielung komplexer geometrischer Strukturen, die nicht in einem Zug aus einer Platine warm umgeformt werden können. Muss aufgrund der Bauteilgeometrie mehr als ein Umformschritt ausgeführt werden, wird in der Regel kalt vorgeformt, da bei mehreren Warmformschritten der Kontakt mit dem Umformwerkzeug die erwärmte Platine bereits beim ersten Umformschritt unter die erforderliche Umformtemperatur abkühlen und eine Härtung einsetzten würde, die weitere Formschritte ohne ein Zwischenerwärmen ausschließt. Eine Zwischenerwärmung erhöht jedoch erheblich die Kosten und die gesamte Prozessdauer des Herstellungsverfahrens.

Aus Gründen des Leichtbaus ist es dabei mittlerweile erforderlich, die Wandstärken eines Formbauteils gezielt an die erforderlichen Belastungen anzupassen. Dabei wird das Bauteil nicht mehr über seine gesamte Ausdehnung mit der Wandstärke der am stärksten beanspruchten Stelle versehen. Stattdessen wird die Wandstärke in Bereichen mit geringerer Belastung gezielt reduziert, um Material und Gewicht einzusparen. Aus der DE 197 04 300 A1 ist es beispielsweise bekannt, durch Verformung eines annähernd gleichmäßig dicken Ausgangsmaterials mittels partiell wal zender Verformung eine Platine mit in Walzrichtung bereichsweise wechselnden Dicken herzustellen. Die Platine ist dann bereits präzise auf die jeweiligen Belastungen und Spannungsspitzen abgestimmt, denen ein aus der Platine gefertigtes Karosserie- oder Fahrwerksbauteil unterliegt. Allerdings gestaltet sich auch bei diesem Verfahren die eingangs erwähnte Korrosionsschutzbeschichtung nach dem Warmformen und Härten eines Formbauteils als schwierig. Ein nachgeschaltetes Feueraluminieren ist nicht durchführbar wegen eines zu hohen Wärmeeintrags in das Bauteil. Bei einer elektrolytischen Beschichtung besteht die Gefahr der Wasserstoffversprödung bei Festigkeiten R_m > 1000 Mpa, die bei hochfesten Bauteilen überschritten werden. Die Zinklflakebeschichtung ist teuer und bereitet zudem Schweißprobleme.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten, gewichts- und belastungsoptimierten warmgeformten und gehärteten Formbauteils aufzuzeigen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1. Demnach wird ein Stahlband vor dem Feueraluminieren durch Abwalzen partiell in der Dicke reduziert. Danach erst wird das Stahlband feueraluminiert, wodurch die intermetallische Phase zwischen dem Stahlband und der Aluminiumbeschichtung entsteht. Anschließend wird aus dem partiell dickenreduzierten und beschichteten Stahlband mit einer definierten Position und Geometrie eine Platine entnommen, warm zu einem Formbauteil umgeformt und im Werkzeug gehärtet. Dabei werden in dem so hergestellten Formbauteil definierte Bereiche mit reduzierter Wandstärke gezielt eingestellt. Durch die Feueraluminierung bleibt das Formbauteil auch während der Erwärmung und Härtung zunderfrei. Zudem ist der benötigte Korrosionsschutz bereits gegeben. Um diesen lückenlos zu gestalten, kann das Formbauteil an allen erforderlichen Schnittkanten mit einer Korrosionsschutzschicht nachbeschichtet werden.

Es ist von großer Bedeutung, dass nach dem Feueraluminieren des partiell dickenreduzierten Bandes nur Umformvorgänge im erwärmten Zustand an einer aus dem feueraluminierten Band entnommenen Platine durchgeführt werden, um den Korrosionsschutz nicht zu gefährden. Daher ist es auch unbedingt erforderlich, sämtliche dickenreduzierenden Walzvorgänge vor dem Feueraluminieren durchzuführen, da auch diese Walzvorgänge als Kaltformen die Schutzschicht reißen lassen.

Erfindungsgemäß werden damit die Vorteile beider Verfahren verbunden und die Nachteile gleichzeitig vermieden. Das fertige Formbauteil besitzt bereits einen guten Korrosionsschutz. Zudem sind die Wandstärken in dem erforderlichen Umfang den reduzierten Belastungen angepasst. Weiterhin können die Umformvorgänge nach dem Feueraluminieren aufgrund der bereits vorliegenden unterschiedlichen Dicken auf das Warmformen beschränkt werden. Das fertige Formbauteil ist ein Produkt mit guter Maßhaltigkeit, hervorragenden Materialeigenschaften und einem guten Korrosionsschutz mit einem optimierten Gewichts-/Leistungsverhältnis.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert. Die Figur zeigt beispielhaft für ein Sicherheits- und/oder Strukturbauteil eine B-Säule 1. Diese B-Säule 1 kann aufgrund der Wanddickenreduktion nunmehr wie dargestellt einteilig hergestellt werden. Bisher wurde die B-Säule 1 im oberen Trockenbereich 2 der Karosserie beispielsweise aus einer warmgeformten und gehärteten Stahlsorte mit folgender Legierungszusammensetzung, dargestellt in Gewichtsprozent, hergestellt:

Kohlenstoff (C)	0,18 % bis 0,3 %
Silizium (Si)	0,1 % bis 0,7 %
Mangan (Mn)	1,0 % bis 2,5 %
Phosphor (P)	maximal 0,025 %
Chrom (Cr)	bis 0,8 %
Molybdän (Mo)	bis 0,5 %
Schwefel (S)	maximal 0,01 %
Titan (Ti)	0,02 % bis 0,05 %
Bor (B)	0,0015 % bis 0,005 %
Aluminium (Al)	0,01 % bis 0,06 %

Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Nach dem Warmumformen und Härten stellen sich bei diesem Stahl ein Streckgrenze R_P0,2 ≥ 950 MPa, eine Zugfestigkeit R_m ≥ 1350 MPa und eine Dehnung A5 ≥ 8 % ein. Dieser Stahl ließ sich bisher nur mit Zinkflakes (Deltatone) einigermaßen befriedigend be schichten, wobei die Haftungseigenschaften der Zinkflakeschicht begrenzt sind. Für die B-Säule 1 wurde er nur unbeschichtet im Trockenbereich 2 der Karosserie eingesetzt. Im unteren Naßbereich 3 bestand die B-Säule 1 bisher aus einem beidseitig verzinkten, mikrolegierten höherfesten Stahl, der mit dem Trockenbereich 2 der B-Säule 1 gefügt wurde.

Durch den Einsatz eines bereits im Band partiell dickenreduzierten und anschließend feueraluminierten Stahls der oben genannten Zusammensetzung kann die gesamte B-Säule 1 nunmehr einteilig aus der warmgeformten und gehärteten Stahlsorte des Trockenbereichs 2 hergestellt werden. Durch die Feueraluminierung ist dieser borlegierte Stahl nunmehr auch im Naßbereich 3 einsetzbar, zudem entfällt bei der erfindungsgemäß hergestellten B-Säule 1 die Materialdoppelung im Übergangsbereich. Gleichzeitig läßt sich eine Gewichtseinsparungen durch die reduzierte Blechdicke im Fußbereich 3 erzielen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten, warmgeformten und werkzeuggehärteten Formbauteils 1 aus einem feueraluminierten Stahlband, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband vor dem Feueraluminieren durch Abwalzen partiell in der Dicke reduziert wird und in dem aus dem feueraluminierten Band mittels Warmumformung und Werkzeughärtung einer entnommenen Platine hergestellten Formbauteil 1 definierte Bereiche 3 mit reduzierter Wandstärke eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Feueraluminieren des partiell dickenreduzierten Bandes nur Umformvorgänge im erwärmten Zustand an einer daraus entnommen Platine vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband aus einer Stahlsorte besteht, die sich in Gewichtsprozent ausgedrückt zusammensetzt aus Kohlenstoff (C) 0,18 % bis 0,3 % Silizium (Si) 0,1 % bis 0,7 % Mangan (Mn) 1,0 % bis 2,5 % Phosphor (P) maximal 0,025 % Chrom (Cr) bis 0,8 % Molybdän (Mo) bis 0,5 % Schwefel (S) maximal 0,01 % Titan (Ti) 0,02 % bis 0,05 % Bor (B) 0,0015 % bis 0,005 %

Aluminium (Al) 0,01 % bis 0,06 %

Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Formbauteil um eine B-Säule 1 handelt, bei der die reduzierte Blechdicke gezielt im Fuß 3 eingestellt wird.