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Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges, einfaches Verfahren zur Herstellung eines hochfesten bzw. höchstfesten Formteils aus härtbarem Stahl mittels einer lauwarmen Umformung. Die auf diese Weise hergestellten Formteile sind Platinen, Bleche, Profile und Stabmaterial, vorzugweise handelt es sich dabei um Kraftfahrzeugteile, wie beispielsweise die A- oder B-Säule, Schweller, Seitenaufprallträger oder Crashelemente. Die Formteile werden aber auch im Leichtbau sowie als Massivbauteile oder Konstruktionsbauteile verwendet.
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Mittels der Warmumformung werden Bauteile aus höherfestem Stahl endformnah in hochproduktiven Schritten hergestellt. Der Vorteil der Warmumformung gegenüber der Kaltumformung ist die Realisierung größerer Formänderungen. Mit der Kaltumformung können hingegen wesentlich höhere Maß- und Formgenauigkeiten sowie Oberflächenqualitäten erzielt werden.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass insbesondere bei der Herstellung von hochfesten Karosserie- und Massivumformteilen, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, Stahlteile einer Warmumformung unterzogen werden, bei welcher die Stahlteile mit unterschiedlichen Umformverfahren geformt werden, wie beispielsweise Presshärten, Fließpressen, Stauchen und/oder Schmieden. Dabei wird das Material bei Austenitisierungstemperatur in einem oder mehreren Umform- bzw. Presswerkzeugen warm umgeformt (Warmumformung) bzw. einer thermo-mechanischen Behandlung unterzogen und danach abgekühlt. Während der Warmumformung rekristallisiert das austenitische Gefüge und während der Abkühlung wandelt der Austenit in Martensit um, so dass ein hochfestes Bauteil entsteht.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 117 265 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formteiles aus hoch- bzw. höchstfestem Stahl aufgezeigt. Dabei werden Platinen bei einer Austenitisierungstemperatur von 920 bis 950°C warm umgeformt und schnell abgekühlt, so dass sich das ferritische Gefüge in martensitisches Gefüge umwandelt. Während der Warmumformung wird die Platine in einem Presswerkzeug so deformiert, dass eine Platine mit unterschiedlicher Materialdicke entsteht. Mit dem Verfahren weist die endgefertigte Platine Zonen mit unterschiedlicher Belastbarkeit auf.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 055 148 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung formgehärteter Bauteile, die insbesondere für Karosserieteile verwendet werden, offenbart. Zu diesem Zweck wird eine Platine aus Stahl auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt und in einem Werkzeug anschließend formgehärtet. Dabei wird die Platine durch eine thermo-mechanische Behandlung bei einer Temperatur von 900 bis 1100 °C mit einem Mindestumformgrad von 15 % deformiert.
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WO 2013 045 933 A1 beschreibt ein Verfahren zum Formen von Stahlteilen mit den Schritten
a) Aufheizen eines Stahlbleches auf Temperaturen, wo Austenitisierung stattfindet, b) Formung des Stahlbleches in einem Presswerkzeug, wobei ein zusätzlicher Schritt zur Abkühlung des Stahlbleches zwischen a) und b) Anwendung findet. Optional kann die Abkühlung des Stahlblechs vor dem Einlegen ins Presswerkzeug oder im Presswerkzeug erfolgen. Die Kühlung kann mit Hilfe von Luft und/oder Wasser mit Abkühlraten von durchschnittlich mehr als 25°C/Sekunde bis auf Temperaturen zwischen 500 und 600°C erfolgen, der sich die Formung des Stahlbleches anschließt und die weitere Abkühlung. Die Formgebung des Stahlblechs findet in
WO 2013 045 933 A1 im Austenitgebiet, oberhalb der Ms-Temperatur statt. Ein derart behandeltes Stahlblech weist ein Gefüge auf, welches nur Abkühlmartensit enthält.
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WO 2013 047 526 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von gepressten Formteilen, mit den Schritten: Aufheizung des Metallbleches auf Temperaturen ≥
Ac1, Abkühlen des Metallbleches auf Temperaturen ≤ 600°C, Formgebung durch ein Presswerkzeug, Beenden des Formgebungsprozesses bei Temperaturen ≥ der Martensit-Starttemperatur, Entnahme des Formteils und Abkühlen des Formteils. Die Umformung des Formteils erfolgt in
WO 2013 047 526 A1 bei einer Temperatur höher oder gleich der Ms-Temperatur.
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DE 10 2011 053 941 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Bauteils mit unterschiedlich duktilen bzw. harten Bereichen, bei dem die ausgestanzte Platine teilbereichsweise auf eine Temperatur ≥
Ac3 erhitzt wird, anschließend in einem Formwerkzeug umgeformt und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt wird. In einer Variante des Verfahrens wird eine kalt umgeformte Platine teilbereichsweise auf Temperaturen >
Ac3 erhitzt und dann in einem Härtewerkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit gehärtet. Verwendung findet jeweils ein umwandlungsverzögerter Stahlwerkstoff, der nach dem Erhitzen und vor dem Umformen auf Umformtemperaturen im Bereich von 450 bis 700°C aktiv gekühlt wird. Die Härtung des Bauteils erfolgt durch Abkühlung mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit nach vollendeter Umformung.
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DE 10 2011 053 939 A1 nennt ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils mit einer Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung, wobei die aus einem mit Zink oder einer Zinklegierung beschichteten Blech ausgestanzte Platine auf eine Temperatur ≥
Ac3 erhitzt, in einem Formwerkzeug umgeformt und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt abgekühlt und dadurch gehärtet wird. Verwendung findet ein umwandlungsverzögerter Stahlwerkstoff, der nach dem Erhitzen und vor dem Umformen auf Umformtemperaturen im Bereich von 450 bis 700°C aktiv_gekühlt wird. Die Härtung des Bauteils erfolgt durch Abkühlung mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit nach vollendeter Umformung.
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Der grundsätzliche Nachteil von Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus hochfestem Stahl mittels Warmumformung besteht vor allem in einem hohen Energieaufwand, der hauptsächlich für die Austenitisierung und Warmumformung der Teile erforderlich ist. Hinzu kommen die Kosten für die Kühlung der Presswerkzeuge und die Schmierung. Die warm umgeformten Bauteile erfahren in der Regel eine Nachbearbeitung bezüglich der Oberflächenqualität und der Maß- und Formgenauigkeit.
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Darüber hinaus beschränkt sich die Herstellung von hochfesten Bauteilen auf relativ umwandlungsträge Stähle. Das heißt, durch die Warmumformung bzw. thermo-mechanische Behandlung kommt es zur Rekristallisation des Austenites und die Ferrit- und Perlitbildung im Stahl wird während der nachfolgenden Abkühlung begünstigt. Ein solches Verhalten ist unerwünscht, da die Teile die hohe Festigkeit verlieren und für das gegebenenfalls notwendige Anlassen unbrauchbar werden. Durch technologische Mehraufwendungen muss ein solcher Effekt vermieden werden.
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Besonders höher kohlenstoffhaltige, härtbare Stähle können bei nicht sachgemäßer thermomechanischer Behandlung Restaustenit im Gefüge enthalten. Der Restaustenit beeinflusst das Härtungsergebnis negativ. Das heißt, die erwünscht hohe Härte wird nicht erreicht.
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Die herkömmliche Warmumformung, erfolgt im Temperaturbereich, wo während bzw. nach der Umformung eine Rekristallisation des Austenits erfolgt. Als Folge der Rekristallisation entfestigt der Stahl und erfährt eine Kornfeinung. Der Stahl wird während der Warmumformung nicht kaltverfestigt und erfährt auch keinen TRIP-Effekt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges, einfaches Verfahren zur Herstellung eines hochfesten bzw. höchstfesten Formteils aus härtbarem Stahl zu entwickeln.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 und ein umgeformtes Stahlteil mit den Merkmalen nach Anspruch 5 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhalten die Merkmale der untergeordneten Ansprüche 2 bis 4. Zur Erfindung gehört auch die Verwendung des umgeformten Stahlteiles.
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Ein Stahlteil aus härtbartem Stahl wird bei einer Temperatur von 10 bis 60 K, vorzugsweise 30 bis 50 K oberhalb der Ac3-Temperatur austenitisiert und bei dieser Temperatur durchgewärmt und homogenisiert, anschließend schnell auf eine Temperatur im Bereich von 50 K unterhalb der Ms-Temperatur so abgekühlt, dass Ferrit- und Perlitphasen vermieden werden, in diesem Temperaturbereich zu einem Formteil geformt und das Formteil danach auf Raumtemperatur so abgekühlt, dass ein überwiegend martensitisches Gefüge entsteht.
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Härtbare Stähle im Sinne der Erfindung sind unlegierte, legierte und hochlegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 bis 0,65 Gew.-% C, vorzugsweise 0,25 bis 0,60 Gew.-% C mit überwiegend martensitischem Gefüge und Ms-Temperaturen von 200 bis 400 °C.
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Neben dem martensitischem Gefüge kann der überwiegend kommerziell erhältliche härtbare Stahl auch Anteile von bainitischem und austenitischem Gefüge enthalten.
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Härtbare Stähle sind bevorzugt Vergütungsstähle und Warmarbeitsstähle, welche den genannten Bedingungen entsprechen. Nach der DIN EN 10 083 sind Vergütungsstähle Stähle mit überwiegend martensitischem Gefüge mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,2 bis 0,65 Gew.-% C.
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Warmarbeitsstähle sind legierte Werkzeugstähle und nach der DIN EN ISO 4957 definiert.
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Vergütungsstähle und Warmarbeitstähle können Legierungselemente, wie beispielsweise Cr, Mn, Ni, Mo, V u. a, in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten.
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Zunächst wird das Stahlteil auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 gebracht. Bei dieser Temperatur wird das Stahlteil gehalten, bis sich ein annähernd homogenes austenitisches Gefüge einstellt, wodurch das Stahlteil weich und formbar wird. Durchgewärmt und homogen bezeichnet erfindungsgemäß, das Stahlteil auf eine einheitliche Temperatur gebracht wird und die chemische Zusammensetzung des Austenits bezüglich der chemischen Zusammensetzung der enthaltenen Elemente innerhalb des Stahlteils gleich ist.
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Die Austenitisierungstemperatur Ac3 trennt im Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm (ZTU-Diagramm, 1) das Phasengebiet von Austenit und Austenit+Ferrit. Oberhaltb der Ac3-Temperatur existiert Austenit und unterhalb der Ac3-Temperatur Austenit+Ferrit. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Ac3-Temperatur und die Ms-Temperatur von der Zusammensetzung des Stahles abhängig sind.
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Ein umgeformtes Stahlteil, dass ein überwiegend martensitisches Gefüge aufweiset, zeichnet sich im Sinne der Erfindung dadurch aus, dass es bevorzugt keinen Restaustenit und/oder Restbainit enthält. Das umgeformte Stahlteil kann einen Restaustenitanteil und/oder einen Restbainitanteil von jeweils bis zu 5 Gew.-%, vorzugsweise von jeweils bis zu 1 Gew.-% enthalten.
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Anschließend wird das so erwärmte Stahlteil schnell auf eine Temperatur im Bereich von 50 K unterhalb der Ms-Temperatur abgekühlt.
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Bevorzugt wird das Stahlteil auf die Temperatur im Bereich von 50 K unterhalb der Ms-Temperatur an Luft und/oder mit Wasser abgekühlt. Die Abkühlung des Stahlteils von der Austenitisierungstemperatur in den Bereich der Ms-Temperatur kann im Umform- oder Presswerkzeug oder außerhalb des Umform- oder Presswerkzeuges erfolgen, wie das z. B. beim Schmieden der Fall ist. Zu bevorzugen ist die Abkühlung außerhalb des Umformwerkzeuges an Luft. Vorteilhaft werden dadurch schnelle Abkühlgeschwindigkeiten erreicht. Schnelles Abkühlen bezeichnet dabei erfindungsgemäß das Abkühlen mit einer Geschwindigkeit, bei der die Bildung von unerwünschtem Ferrit und Perlit im Stahlteil vermieden wird. Aufschluss dazu gibt das jeweilige ZTU-Diagramm des verwendeten Stahls. Beispielshaft ist ein solches Diagramm in Frig. 1 schematisch dargestellt. Der Fachmann wird daraus die jeweils günstigste Abkühlgeschwindigkeit bestimmen.
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In diesem Temperaturbereich erfolgt die Lauwarmumformung der Stahlteils wodurch vorteilhaft eine Rekristallisation des Stahlgefüges vermieden wird und das Stahlteil kalt verfestigt. Dadurch entsteht Stahl mit einem überwiegend martensitischen, feinkörnigen Gefüge und besonders hoher Festigkeit und Härte.
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Während der Lauwarmumformung wird ein Plastizitätseffekt in Form eines α'- TRIP-Effekts ausgelöst. Als Folge des TRIP-Effekts entsteht Umformmartensit mit einer hohen Defektdichte und das Kaltumformvermögen und die Festigkeit steigen. Defektdichte bezeichnet das Entstehen verschiedener Fehler im Gefüge, wodurch vorteilhaft die Härte des Stahlteiles steigt. Die Stahlteile werden durch die Lauwarmumformung zu Formteilen geformt, die als Fertigteile für Folgeanwendungen verwendet werden können.
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Die Abkühlung der Formteile auf Raumtemperatur sollte vorzugsweise außerhalb des Umform- oder Presswerkzeuges in Wasser und/oder an Luft erfolgen, um die Martensitbildung gegenüber einer möglichen Bainitbildung zu unterstützen. Bei der Abkühlung wird der vorhandene Restaustenit in (Abkühl-)martensit umgewandelt, so dass bei Raumtemperatur ein überwiegend martensitisches Gefüge bestehend aus Umform- und Abkühlmartensit entsteht. Restaustenit bezeichnet Austenit, der nicht in eine andere Gefügeart, wie beispielsweise Martensit, umgewandelt wurde.
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Nach einer solchen Behandlung ist der Verbleib von Restaustenit im Gefüge weitestgehend unterdrückt. Mit steigendem Martensitanteil steigt die Festigkeit der gehärteten Formteile und die Zähigkeitseigenschaften fallen. Bevorzugt sind umgeformte Stahlteile ohne Restaustenit und/oder Restbainit. Diese Gefüge sind bestens für das Vergüten geeignet.
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Das geformte Stahlteil wird je nach Bedarf einer Endbearbeitung in Form eines Richtens, Beschnittes, Entgratens bzw. der Entfernung einer Oxidhaut unterzogen. Die auf diese Weise hergestellten Formteile sind höchstfest und weisen ein überwiegend martensitisches Gefüge auf. Die Stahlteile zeichnen sich durch deutlich höhere Härten und Festigkeiten gegenüber warmpressgehärteten Stahlformteilen aus.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die erfindungsgemäß gefertigten Stahlformteile zur Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften einer nachfolgenden Anlassbehandlung unterzogen. Dabei hat sich überraschend gezeigt, dass vorteilhaft die erforderlichen Anlasszeiten für die erfindungsgemäßen Stahlformteile bei gleicher Temperatur gegenüber Anlasszeiten von warmpressgehärteten Formteilen verkürzt werden können, wobei dennoch das gleiche erfindungsgemäße Ergebnis erzielt wird.
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Erfindungsgemäß bezeichnet Anlassbehandlung ein erneutes Erhitzen des geformten Stahlteiles in einem Temperaturbereich von 20 und 650°C. Verfahren zum Anlassen sowie geeignete Temperaturen und Anlasszeiten sind dem Fachmann bekannt.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass hochfeste Formteile aus härtbarem Stahl auch ohne eine Warmumformung mittels einer lauwarmen Umformung bei wesentlich tieferen Temperaturen herstellbar sind. Voraussetzung dafür ist, dass die Stähle während der lauwarmen Umformung einen TRIP-Effekt zeigen. Es hat sich gezeigt, dass alle härtbaren Stähle, die nahe der Ms-Temperatur umgeformt werden, einen α'-TRIP-Effekt aufweisen.
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Die Ms-Temperatur und die Bezeichnung α'-TRIP-Effekt bezieht sich dabei auf die Bildung von α'-Martensit. In unlegierten und legierten härtbaren Stählen entsteht überwiegend α'-Umformmartensit.
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Die härtbaren Stähle sind für eine lauwarme Umformung bestens geeignet. Lauwarmumformung (lauwarme Umformung) ist für den Fachmann eine Umformung im Temperaturbereich zwischen 200 und 500°C. In diesem Temperaturbereich bleibt die Rekristallisation des Stahles als Folge der Umformung aus. Der Stahl verfestigt während der Umformung. Erfolgt die lauwarme Umformung während des isothermischen Haltens im Temperaturbereich so wird nach Überschreiten eines kritischen Umformgrades ein Plastizitätseffekt in Form eines TRIP-Effekts im Stahl ausgelöst. Im Temperaturbereich nahe der Ms-Temperatur wird dieser kritische Umformgrad bereits nach geringen Umformgraden erreicht.
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Die lauwarme Umformung wird bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als die Warmumformung nach dem Stand der Technik durchgeführt, wodurch der Austenit nicht rekristallisiert, sondern kaltverfestigt wird. Überraschend hat sich gezeigt, dass die lauwarme Umformung mit dem TRIP-Effekt gekoppelt werden kann. Dann entsteht als Folge der lauwarmen Umformung neben einer Kaltverfestigung feindisperser Umformmartensit mit hoher Defektdichte. Dieser Umformmartensit bleibt bei der nachfolgenden Abkühlung erhalten. Durch die hohe Defektdichte und die Feinheit des Umformmartensits verbessern sich die mechanischen Eigenschaften. Die Härte und die Festigkeit steigen und die Zähigkeitseigenschaften sind im Vergleich höher als bei warmumgeformten Zuständen. Der Umformmartensit entsteht in den warmumgeformten Vergütungsstählen nach dem Stand der Technik nicht. Dort existiert nur Abkühlmartensit, der weicher ist als Umformmartensit. Das martensitische Gefüge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist feindispers, hat eine höhere Defektdichte (Ausdruck dafür ist eine höhere Härte) und besteht aus Umform- und Abkühlmartensit, wobei eine quantitative Trennung der beiden Martensitarten bisher nicht möglich ist. Der Umformmartensit entsteht als Folge des induzierten TRIP-Effekts während der lauwarmen Umformung, der Abkühlmartenit während der Abkühlung auf Raumtemperatur nach der lauwarmen Umformung.
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Die herkömmliche Warmumformung nach dem Stand der Technik erfolgt im Temperaturbereich, wo während bzw. nach der Umformung eine Rekristallisation des Austenits erfolgt. Als Folge der Rekristallisation entfestigt der Stahl und erfährt eine Kornfeinung. Der Stahl wird während der Warmumformung nicht kaltverfestigt und erfährt auch keinen TRIP-Effekt.
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Wird, wie im erfindungsgemäßen Verfahren die Umformung bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als die Warmumformung nach dem Stand der Technik durchgeführt, dann rekristallisiert der Austenit nicht, sondern wird kaltverfestigt. Neu ist, dass die lauwarme Umformung mit dem TRIP-Effekt gekoppelt ist. Dann entsteht als Folge der lauwarmen Umformung neben einer Kaltverfestigung feindisperser Umformmartensit mit hoher Defektdichte. Dieser Umformmartensit bleibt bei der nachfolgenden Abkühlung erhalten. Durch die hohe Defektdichte und die Feinheit des Umformmartensits verbessern sich die mechanischen Eigenschaften. Die Härte und die Festigkeit steigen und die Zähigkeitseigenschaften sind im Vergleich höher als bei warmumgeformten Zuständen. Der Umformmartensit entsteht in den warmumgeformten Vergütungsstählen nicht, dort existiert nur Abkühlmartensit, der weicher ist als Umformmartensit. Das martensitische Gefüge nach dem erfinderischen Verfahren ist feindispers, hat eine höhere Defektdichte (Ausdruck dafür ist eine höhere Härte) und besteht aus Umform- und Abkühlmartensit. Der Umformmartensit entsteht als Folge des induzierten TRIP-Effekts während er lauwarmen Umformung. Der Abkühlmartenit entsteht während der Abkühlung auf Raumtemperatur nach der lauwarmen Umformung.
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Eine Erwärmung der Teile als Folge der lauwarmen Umformung wirkt der Induzierung eines TRIP-Effekts entgegen. Die Erwärmung ist deshalb vor allem bei Umformtemperaturen im Temperaturbereich oberhalb der Ms-Temperatur zu minimieren. So wird für Stähle mit Ms-Temperaturen nahe 400°C, die bei 460°C beginnend umgeformt werden und dadurch eine Erwärmungen über 100 K erfahren, eine Teilrekristallisation das austenitischen Gefüges registriert. Die Rekristallisation des Austenits ist zu vermeiden, da sie die Kaltverfestigung des Austenits behebt und den TRIP-Effekt schwächt bzw. verhindert. Durch ein geeignetes, dem Fachmann bekanntes Verfahren zum Kühlen der Stahlteile während der lauwarmen Umformung, kann der Effekt der Erwärmung durch das Umformen vermieden werden.
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Im Temperaturbereich von 20 bis 60°C oberhalb der Ms-Temperatur ist das Umformvermögen des Austenits bis um das Doppelte gegenüber austenitischen Stählen ohne einen TRIP-Effekt erhöht. Dadurch wird für den härtbaren Stahl ein Umformgrade ϕ von bis zu 1,3 erreicht. Der Umformgrad ist somit zumindest teilweise höher als der Umformgrad bei herkömmlichen Warmumformungen. Durch die Auslösung des TRIP-Effektes während der lauwarmen Umformung lässt sich der wesentliche Nachteil der Kaltumformung gegenüber der Warmumformung, der in einer geringeren Formänderung besteht, vollständig aufheben.
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Der Umformgrad ϕ ist definiert als der Logarithmus aus dem Quotienten von Enddicke und Ausgangsdicke des umzuformenden Materials. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stahlformteile sind Platinen, Bleche, Profile, Stabmaterial, Rohre, vorzugweise handelt es sich dabei um Kraftfahrzeugteile, wie beispielsweise die A- oder B-Säule, Schweller, Seitenaufprallträger oder Crashelemente.
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Zur Erfindung gehört auch ein lauwarm umgeformtes Stahlteil aus härtbarem Stahl mit einem C-Gehalt von 0,2 bis 0,65 Gew.-%, vorzugsweise 0,25 bis 0,60 Gew.-% C, einer Ms-Temperatur von 400 bis 600°C, mit einem überwiegend martensitischen Gefüge mit einer Zugfestigkeit > 1500 MPa, einer Vickershärte von 560 bis 780, wobei das martensitische Gefüge aus Umformmartensit mit hoher Defektdichte und Abkühlmartensit besteht.
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Härtbare Stähle sind bevorzugt Vergütungsstähle und Warmarbeitsstähle, welche den genannten Bedingungen entsprechen. Nach der DIN EN 10 083 sind Vergütungsstähle Stähle mit überwiegend martensitischem Gefüge mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,2 bis 0,65 Gew.-% C.
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Bevorzugt wird das umgeformte Stahlteil nach einem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten.
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Bevorzugt weist das umgeformte Stahlteil ein überwiegend martensitisches Gefüge auf, wobei das Gefüge aus feindispersem Martensit besteht.
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Vorteilhaft weist das umgeformte Stahlteil keinen groben Lattenmartensit auf, der sich negativ auf dessen mechanischen Eigenschaften auswirken würde.
Bevorzugt weist das umgeformte Stahlteil keinen Restaustenit und/oder Restbainit auf. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist das umgeformte Stahlteil einen Restaustenitanteil und/oder einen Restbainitanteil von jeweils bis zu 5 Gew.-%, bevorzugt von jeweils bis zu 1 Gew.-% auf.
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Das umgeformte Stahlteil weist vorteilhaft eine besonders hohe Vickershärte im Bereich von 560 bis 780 auf. Aus der besonders hohen Härte ergeben sich vorteilhaft zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Stahlformteil.
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Bevorzugt weist das umgeformte Stahlteil eine Zugfestigkeit von größer gleich 1500 MPa sowie eine Bruchdehnung > 3 % und eine Einschnürung > 35 % auf. Daraus ergeben sich neue Anwendungsbereiche für das erfindungsgemäße Stahlteil beispielsweise als Konstruktions- und Verbindungselemente.
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Das umgeformte Stahlteil weist vorteilhaft eine besonders hohe Vickershärte im Bereich von 560 bis 780 auf. Aus der besonders hohen Härte ergeben sich vorteilhaft zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Stahlformteil.
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Die Härtemessung nach Vickers wurde an einem Härtemessgerät HMV 2000 nach DIN EN ISO 6507 durchgeführt. Die Zugversuche sind an einer 250 kN Zwick Zug/Druckprüfmaschine nach DIN EN 10 002 ermittelt worden. Die lichtmikrokopischen Aufnahmen sind am Auflichtmikroskop Neophot 30 durchgeführt worden. Die martensitischen Gefügezustände sind mittels einer Nitalätzung sichtbar gemacht worden.
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Die erfindungsgemäßen hochfesten bzw. höchstfesten Stahlteile können vorteilhaft im Automobilbau verwendet werden. Die umgeformten Stahlteile können beispielsweise als Crashelemente oder Querlenker, A- oder B-Säule, Schweller oder Seitenaufprallträger verwendet werden.
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Die erfindungsgemäßen hochfesten bzw. höchstfesten Stahlteile können als Massivbauteil und/oder Konstruktionsbauteil verwendet werden. Sie eignen sich aber auch als Platten für die Panzerung von Fahrzeugen oder zu bewehrenden Objekten.
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Die erfindungsgemäßen hochfesten bzw. höchstfesten Stahlteile können im Leichtbau verwendet werden.
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Auch in Bereichen in denen Bauteile hohen Abrieb- und Verschleißbeanspruchungen standhalten müssen, wie beispielsweise Baggerzähne oder Schneidwerkzeuge kommen die umgeformten Stahlteile zum Einsatz. Gleichermaßen können sie auch als vergütete Bodenplatte mit erhöhter Festigkeit- und Zähigkeit für beispielsweise große Bagger verwendet werden.
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Weiterhin ist die Verwendung der umgeformten Stahlteile als Massivumformteil, wie beispielsweise als Formfließpressteil, Schrauben und Bolzen denkbar.
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Anhand der aufgeführten Darstellungen und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden ohne sie auf diese zu beschränken. Dabei zeigen
- 1 eine allgemeine Darstellung eines -Zeit-Temperatur-Umsatzdiagramm (ZTU-Diagramm) eines hochschmelzenden Stahls,
- 2a eine Lichtmikroskopaufnahme eines warmumgeformten Stahlteils nach Ausführungsbeispiel 2a,
- 2b eine Lichtmikroskopaufnahme eines lauwarm umgeformten Stahlteils nach Ausführungsbeispiel 2b.
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Referenzbeispiel 1
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Ein Platine in den Abmessungen 500 mm * 20 mm * 15 mm aus einem legiertem Vergütungsstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,52 % und einer Ms-Temperatur von 310°C (vgl. 1, Ms-Temperatur) wird in einem Ofen unter Argonschutzgas bis auf eine Temperatur von 860°C erwärmt und 20 Minuten austenitisiert und homogenisiert wodurch sich ein gleichmäßiges austenitissches Gefüge bildet (vgl. 1, Austenitgebiet oberhalb der Ac3-Temperatur). Danach wird die Platine aus dem Ofen entnommen und an Luft auf eine Temperatur von ca. 330°C abgekühlt. Mit dem Erreichen dieser Temperatur wird die Platine in das kalte Presswerkzeug gelegt und sofort lauwarm auf eine Dicke von 10 mm umgeformt. Danach wird das Werkzeug geöffnet und die Platine herausgenommen und in Wasser abgeschreckt. Danach wird die Oxidhaut entfernt und die Platine auf Endmaß geschnitten. Die Platine als gefertigtes Formteil weist ein feindisperses, vollmartensitisches Gefüge ohne Restaustenit mit einer Vieckershärte von 720 auf. Die Zugfestigkeit liegt bei 2310 MPa, die Einschnürung bei 40 % und die Bruchdehnung bei 4 %. Mit diesen Eigenschaften wird das Formteil als Crashelement ohne eine nachfolgende Anlassbehandlung verwendet.
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Durch ein Anlassen des Formteils können die Festigkeit- und Zähigkeitseigenschaften je nach Bedarf in weiten Grenzen beeinflusst werden. Wird das gehärtete Formteil beispielsweise 90 Minuten bei 550 °C angelassen, so sinkt die Vickershärte auf 300 und die Zugfestigkeit auf 1030 MPa, die Einschnürung steigt auf 47 % und die Bruchdehnung auf 13 %.
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Referenzbeispiel 2a - Warmumformung nach dem Stand der Technik
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Ein Stabmaterial mit einem Durchmesser von 60 mm eines Vergütungsstahl vom Typ 25 MnCrNiMoV 6 6 4 wird bei 1050°C auf einen Durchmesser von 30 mm einer Warmumformung mittels schmieden unterzogen und an Luft abgekühlt. Der Stahl weist eine Ms-Temperatur von 320 °C auf. Die Lichtmikroskopaufnahme des warm umgeformten Stabmaterials zeigt ein vollständig relativ grobes, martensitisches Gefüge über den Querschnitt. Es sind deutlich relativ große schwarze Lattenmartensitbereiche sichtbar, die sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. (2a) Vor allem die Kerbwirkung der groben Latten ist dafür verantwortlich. Lattenmartensit ist eine Art des Martensits, bei der Martensit in Lattenform vorliegt. Die Vickershärte liegt am Rand bei 610 und im Kern bei 590. Die Zugfestigkeit beträgt 1990 MPa und die Bruchdehnung beträgt 4 %.
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Ausführungsbeispiel 2b -Lauwarme Umformung
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Das gleiche Material (Stahl Typ 25 MnCrNiMoV 6 6 4) mit einem Durchmesser von 60 mm wird bei 1050°C unter gleichen Bedingungen wie in Ausführungsbeispiel 2a austenitisiert und nachfolgend auf eine Temperatur von 320 °C abgekühlt. Bei 320 °C beginnend wird eine lauwarme Umformung durch einen Schmiedeprozess vorgenommen. Während des Schmiedens wird das Stabmaterial geschmiert und gekühlt. Nach dem Schmieden erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur an Luft. Im Ergebnis der Umformung entsteht wiederum ein Stab mit einem Durchmesser von 30 mm. Das Gefüge des so behandelten Stahles ist vollständig martensitisch, jedoch im Unterschied zum herkömmlich behandelten Stahl feindispers, wie in 2b zu sehen ist. Der Stab weist eine Vickershärte am Rand von 650 und im Kern von 645 auf. Die Zugfestigkeit beträgt 2151 MPa und die Bruchdehnung beträgt 5 %.
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Die Härte- und Festigkeitswerte sind aufgrund der feineren martensitischen Gefügeausbildung gegenüber den Härte- und Festigkeitswerten nach der herkömmlichen Warmumformung erhöht. Die erhöhten Härte- und Festigkeitswerte wirken sich positiv auf den Anlassprozess aus. Das drückt sich z. B. in einer Abnahme der Anlasszeiten von 25 bis 30 % bei 500 °C aus.
