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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese PCT-Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/053 280, die am 22. September 2014 eingereicht wurde, wobei die gesamte Offenbarung der Anmeldung als Teil der Offenbarung dieser Anmeldung betrachtet wird und hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
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ANGABEN HINSICHTLICH STAATLICH GEFÖRDERTE FORSCHUNG
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Die Regierung hat Rechte an diese erfindungsgemäße Übereinkunft für Arbeit für andere der Nummer NFE-13-04839, die vom Energieministerium ausgereicht wurde.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft generell strukturelle Komponenten, die aus Stahl für Fahrzeuge hergestellt sind, und betrifft Verfahren zur Herstellung der strukturellen Komponenten.
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2. Stand der Technik
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Stahlstrukturkomponenten für Fahrzeuge werden häufig heiß-geformt und abgeschreckt, um eine martensitische Mikrostruktur zu erzeugen, die hohe Härte und Festigkeit bietet. Abhängig von der speziellen Anwendung der strukturellen Komponente kann es jedoch wünschenswert sein, die Härte zu reduzieren oder die Duktilität in gewissen Zonen der strukturellen Komponente zu erhöhen. Beispielsweise können weiche Zonen ausgebildet werden, um das Verhalten der Komponente bei Aufprall zu verbessern oder um die Schweißbarkeit der Komponente zu verbessern. Derartige lokalisierte weiche Zonen können durch einen Temperprozess bzw. Vergütungsprozess hergestellt werden. Jedoch erfordern bekannte Temperprozesse einen beträchtlichen Zeitaufwand und einen beträchtlichen Betrag an thermischer Energie, sodass ein Bedarf für effizientere Temperprozesse besteht.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer strukturellen Komponente, etwa einer Komponente für ein Fahrzeug, mit einem verbesserten Temperprozess bereit. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Werkstücks, das aus Stahlmaterial hergestellt ist; Erwärmen und Formen des Werkstücks; Abschrecken des geformten Werkstücks; und Tempern mindestens eines Bereichs des abgeschreckten Werkstücks. Der Temperschritt beinhaltet das gleichzeitige Einwirken mit thermischer Energie und einem Magnetfeld auf das Werkstück. Dieser thermomagnetische Temperprozess ist effizienter als andere Temperprozesse und reduziert somit Kosten, die mit der Herstellung der strukturellen Komponente einhergehen.
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Die Erfindung stellt ferner eine strukturelle Komponente mit mindestens einer harten Zone und mindestens einer weichen Zone benachbart zu der mindestens einen harten Zone bereit. Die mindestens eine harte Zone enthält Martensit und die mindestens eine weiche Zone enthält eine Mischung aus Ferrit und Eisenkarbid bzw. Zementit.
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Die Erfindung stellt ferner eine strukturelle Komponente bereit, die durch einen Prozess hergestellt ist, der die Schritte umfasst: Erwärmen und Formen des Werkstücks; Abschrecken des geformten Werkstücks; und Tempern mindestens eines Bereichs des abgeschreckten Werkstücks. Der Temperschritt beinhaltet gleichzeitiges Einwirken mit thermischer Energie und einem Magnetfeld auf das Werkstück.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser gewürdigt werden, wenn ein besseres Verständnis durch Verweis auf die folgende detaillierte Beschreibung erreicht wird, wobei diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
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1 anschauliche strukturelle Komponenten eines Fahrzeugs mit mindestens einer weichen Zone darstellt, die durch einen thermomagnetischen Temperprozess gebildet ist;
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2 eine weitere anschauliche strukturelle Komponente mit einer weichen Zone darstellt, die durch einen thermomagnetischen Temperprozess hergestellt ist;
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3 eine typische getemperte Mikrostruktur einer Fe-0,2 C-Legierung darstellt;
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4 eine Tabelle ist, die Stufen eines beispielhaften Stahltemperprozesses auflistet;
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5 eine Tabelle ist, die Reaktionen aufführt, die während eines beispielhaften Stahltemperprozesses auftreten;
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6A–6C eine Mikrostruktur mit einem Martensit mit geringem Kohlenstoffanteil zeigen;
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7A–7C eine Mikrostruktur mit einem Platten-Martensit mit hohem Kohlenstoffanteil zeigen;
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8A–8B eine Stahlmikrostruktur mit sphärischen Teilchen darstellen; und
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9 Ergebnisse eines Experiments zeigt, die den thermomagnetischen Temperprozess der vorliegenden Erfindung mit einem konventionellen Temperprozess vergleichen.
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BESCHREIBUNG DER UMSETZBAREN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer strukturellen Komponente 10, typischerweise zur Verwendung in einem Fahrzeug, bereit, etwa als eine Säule, Grundrohr, Schiene, Verbundlenkerachse, Federverbindung, Steuerarm, Stoßstange, Holm, Seitentafel oder eine andere Art einer Festigkeit erfordernden Karosseriekomponente, einer Rohkarosserie oder einer sicherheitsrelevanten Komponente. Jedoch könnte die strukturelle Komponente 10 auch in Nicht-Fahrzeug-Anwendungen eingesetzt werden. Die strukturelle Komponente 10 wird heiß-geformt, abgeschreckt bzw. abgekühlt und dann getempert, wobei ein thermomagnetischer Temperprozess verwendet wird, um mindestens eine lokalisierte weiche Zone 12 benachbart zu einer harten Zone 14 und optional eine Übergangszone 16 herzustellen. 1 zeigt anschauliche strukturelle Komponenten 10, mit einer A-Säule, einem Grundrohr, einer Dachschiene, die jeweils mindestens eine lokalisierte weiche Zone 12 aufweisen, die durch den thermomagnetischen Temperprozess hergestellt ist. 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Schiene für die Fahrzeuganwendung einschließlich mindestens einer lokalisierten weichen Zone 12, die durch den thermomagnetischen Temperprozess hergestellt ist. Der thermomagnetische Temperprozess ist in der Lage, eine größere lokalisierte Erweichung mit schnellerer Rate im Vergleich zu anderen Temperprozessen zu erreichen, in denen keine Magnetfelder verwendet werden.
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Das Verfahren beginnt mit der Bereitstellung mindestens eines Werkstücks, etwa eines Blechs oder eines Rohlings, das bzw. der aus Stahlmaterial hergestellt ist. Das Stahlmaterial des Werkstücks kann eine beliebige Art von Stahl einschließlich von Stahl mit geringem Kohlenstoffanteil, Stahl mit mittlerem Kohlenstoffanteil und Stahl mit ultra-hoher Festigkeit (UHSS), Stahl mit erweiterter hoher Festigkeit (AHSS) oder Stahl mit hoher Festigkeit (HSS) beinhalten. Eine Doppelphasen-Stahlmaterial oder eine Mischung aus unterschiedlichen Materialien kann ebenfalls verwendet werden, um die strukturelle Komponente 10 herzustellen. Das Werkstück sollte eine geeignete Größe und Dicke abhängig von der Art der herzustellenden strukturellen Komponente 10 haben.
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Das Verfahren umfasst die Heißformung des Werkstücks, um eine vorbestimmte Form zu erhalten, die von der Art der herzustellenden strukturellen Komponente 10 abhängt. Es kann eine beliebige Art eines Heißformungsprozesses angewendet werden, um das Werkstück zu formen. In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst der Heißformungsprozess die Erwärmung des Werkstücks auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Ofen. Die vorbestimmte Temperatur hängt von der Art des Stahlmaterials des Werkstücks, der Geometrie des Werkstücks, der gewünschten Geometrie der strukturellen Komponente 10 und möglicherweise von anderen Faktoren ab. Das Werkstück wird typischerweise auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend ist, um Austenit in dem Stahlmaterial zu erzeugen, beispielsweise bei mindestens 900°C.
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Sobald das Werkstück die vorbestimmte Temperatur, die für die Heißformung ausreichend ist, erreicht, wird das erwärmte Werkstück schnell zu einer Heißformungsvorrichtung geführt, etwa einer Prägeeinheit, einer Presse oder einer Stanzeinrichtung. Die Heißformungsvorrichtung weist typischerweise eine obere Prägeform, die eine obere Formierungsfläche darstellt, und eine untere Prägeform, die eine untere Formierungsfläche darstellt, auf. Das erwärmte Werkstück wird zwischen den beiden Formierungsflächen angeordnet. Die Form der oberen Prägeform und der unteren Prägeform hängt von der gewünschten Geometrie der herzustellenden strukturellen Komponente ab. Die obere und die untere Prägeform sind typischerweise aus Stahl hergestellt, können aber auch aus anderen Materialien hergestellt sein. Die obere und die untere Prägeform weisen typischerweise eine Kühleinrichtung, etwa mehrere Kühlkanäle auf, die zu den Formierungsflächen einen Abstand haben.
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Der Herstellungsschritt bzw. Formierungsschritt beginnt typischerweise unmittelbar oder kurz nach der Anordnung des Werkstücks zwischen der oberen und der unteren Prägeform, wobei das Werkstück weiterhin bei einer Temperatur von mindestens 900°C oder nahe bei der Temperatur ist, die in dem Ofen erreicht wird. Während des Formungsschritts werden die obere und die untere Prägeform zusammengepresst, um das Werkstück in die gewünschte Geometrie zu stanzen, pressen oder anderweitig formen. In einer Ausführungsform umfasst der Formungsschritt das Stanzen bzw. Pressen des heißen Werkstücks zwischen der oberen und unteren Prägeform, um die gewünschte Geometrie zu erhalten, wobei insbesondere das heiße Werkstück mit der oberen und unteren Prägeform in Kontakt tritt und Druck auf das heiße Werkstück unter Anwendung der oberen und/oder unteren Prägeform ausgeübt wird. In einer anschaulichen Ausführungsform wird das Werkstück auf eine Temperatur von mindestens 900°C in dem Ofen erhitzt, sodass Austenit in dem Stahlmaterial des Werkstücks während des Formungsschritts vorhanden ist. Das Werkstück kann in diverse unterschiedliche und komplizierte Geometrien abhängig von der gewünschten Anwendung der strukturellen Komponente geformt werden.
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Unmittelbar nach oder während des Formungsschritts beinhaltet das Verfahren das Abkühlen bzw. Abschrecken des Werkstücks, vorzugsweise in der Heißformungsvorrichtung. Dieser Schritt wird als Werkzeug-Abschreckung bezeichnet. An der untersten Stelle des Formungstakts, wenn die obere und die untere Prägeform zusammen gepresst sind, kann Wasser oder ein anderes Kühlfluid durch die Kühlkanäle der Prägeformen geleitet werden, um das Werkstück abzuschrecken. Der Abschreckungsschritt verursacht einen Phasenübergang in dem Stahlmaterial und erhöht die Festigkeit des Stahlmaterials. Während des Abschreckungsschritts erreicht das Stahlmaterial eine Temperatur, die ausreichend tief ist, um zu bewirken, dass die austenitische Mikrostruktur in eine martensitische Mikrostruktur übergeht, die die Festigkeit des Stahlmaterials erhöht.
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Das Verfahren umfasst den thermomagnetischen Temperprozess, um die mindestens eine lokalisierte weiche Zone 12 zu erzeugen. Wie zuvor ausgeführt ist, beschleunigt die Verwendung des Magnetfeldes während des Tempervorgangs die kinetischen Verhältnisse beim Tempern und erreicht eine lokalisierte Erweichung mit höherer Geschwindigkeit im Vergleich zu anderen Temperprozessen, in denen keine Magnetfelder eingesetzt werden. Der thermomagnetische Temperprozess umfasst zunächst das Ermitteln, welche Bereiche des heiß-geformten, werkzeug-abgeschreckten Werkstückes die mindestens eine lokalisierte weiche Zone 12 aufweisen sollen. Der vorbestimmte Bereich des Werkstücks, in welchem die weichen Zonen 12 gebildet werden, hängt von der gewünschten Anwendung der strukturellen Komponente 10 ab.
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Beispielsweise kann eine der weichen Zonen 12 an einem abgewandten Ende der strukturellen Komponente 10 oder in einem Übergangsgebiet liegen. Es kann eine beliebige Anzahl an weichen Zonen 12 unter Anwendung des verbesserten thermomagnetischen Temperprozesses erzeugt werden. Alternativ kann der thermomagnetische Temperprozess auf das gesamte Werkstück angewendet werden, um die weiche Zone 12 durchgängig in der gesamten strukturellen Komponente 10 bereitzustellen.
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Sobald der vorbestimmte Bereich des Werkstücks ausgewählt ist, beginnt der thermomagnetische Temperprozess, indem ein Magnet benachbart zu dem vorbestimmten Bereich zur Anwendung des Magnetfeldes und den vorbestimmten Bereichen angeordnet wird. Das Verfahren umfasst ferner das Anordnen einer Wärmequelle benachbart zu dem vorbestimmten Bereich, um die thermische Energie zuzuführen, während das Magnetfeld einwirkt. Es kann eine beliebige Art von Magnet und eine beliebige Art von Wärmequelle verwendet werden, um gleichzeitig das Magnetfeld und die thermische Energie einwirken zu lassen. Die Geometrie des Magneten und der Wärmequelle werden jedoch auf der Grundlage der Geometrie des Werkstücks ausgewählt und sollte in der Lage sein, das lokalisierte Magnetfeld und die thermische Energie an den vorbestimmten Bereichen bereitzustellen. In der anschaulichen Ausführungsform wird das Magnetfeld von einem supraleitenden Magnet in Form einer flachen Platte mit einer Bohrung bereitgestellt und der vorbestimmte Bereich des Werkstücks wird in der Bohrung angeordnet. Alternativ kann ein konventioneller Elektromagnet eingesetzt werden. Das Werkstück wird typischerweise in einer Halterung oder Temperstation gehalten, die den Magneten und die Wärmequelle beinhaltet.
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Der thermomagnetische Temperprozess umfasst als nächstes die Einwirkung des Magnetfeldes und der thermischen Energie auf den vorbestimmten Bereich, um die mindestens eine lokalisierte weiche Zone 12 zu erzeugen. Die Größe des Magnetfeldes und die Höhe der Temperatur, die auf den vorbestimmten Bereich einwirken, können abhängig von der Geometrie des Werkstücks und der gewünschten Mikrostruktur sein, die in der mindestens einen weichen Zone 12 zu erreichen sind. Während des thermomagnetische Temperprozesses heizt typischerweise die Wärmequelle den vorbestimmten Bereich auf eine Temperatur im Bereich von 300°C bis 500°C auf und der Magnet stellt ein Magnetfeld im Bereich von 1 bis 3 Tesla bereit. In einer anschaulichen Ausführungsform erwärmt die Wärmequelle den vorbestimmten Bereich auf eine Temperatur von ungefähr 450°C und der Magnet übt ein Magnetfeld von ungefähr 2 Tesla aus. Die Dauer des thermomagnetischen Temperprozesses kann in Abhängigkeit von der Geometrie des Werkstücks und der gewünschten Mikrostruktur, die in der mindestens einen weichen Zone 12 zu erreichen sind, gewählt werden. Die Temperatur, das Magnetfeld und/oder die Dauer des thermomagnetischen Temperprozesses können so eingestellt werden, dass die martensitische Mikrostruktur des vorbestimmten Bereichs in die gewünschte Mikrostruktur übergeht. Die Mikrostruktur der mindestens einen weichen Zone 12 ist stabiler und hat eine Härte, die kleiner ist als die Härte der martensitische Mikrostruktur, die vor dem Temperprozess vorhanden war.
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In der anschaulichen Ausführungsform umfasst das Werkstück einen Stahl mit geringem Kohlenstoffanteil, etwa eine Fe-0,2C-Legierung. Der thermomagnetische Temperprozess dieser Ausführungsform umfasst das Anordnen des Werkstücks in der Bohrung des supraleitenden Magneten und das Aufheizen des vorbestimmten Bereichs des Werkstücks auf eine Temperatur von 450°C, während ein Magnetfeld von 2 Tesla für 25 Minuten angelegt wird, um die weiche Zone 12 zu bilden. Während des thermomagnetischen Temperprozesses geht der Martensit des heiß geformten, Werkzeug abgeschreckten Werkstücks von einer bct-martensitischen Mikrostruktur in eine Mischung aus Ausfällungen von bcc-Eisen, das als Ferrit bezeichnet wird, und Karbid (Fe3C) über. Es ist bekannt, dass Ferrit und Karbid mit zunehmender Zeit und Temperatur gröber werden aufgrund der Reduzierung der Grenzflächenenergie zwischen den ausgefallenen Stoffen und der Ferrit-Matrix. Siehe Referenz 18 von George F. Vander Voort, ASM Handbuch: Bd. 9: Metallographie und Mikrostrukturen, ASM International, 2004, ISBN-13:978-0871707062, ISBN-10:0871707063, was im Weiteren als das „ASM-Handbuch” bezeichnet wird. Es ist kein Perlit in der getemperten Mikrostruktur dieser Ausführungsform vorhanden. Vorzugsweise beträgt die durch den thermomagnetischen Temperprozess erreichte Härte 200 VHN oder ungefähr 670 MPa UTS.
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Eine typische getemperte Mikrostruktur für eine Fe-0,2C-Legierung ist in 3 gezeigt, die aus der Referenz 18 des ASM-Handbuchs erhalten wurde. 4 wurde aus der Referenz 3 des ASM-Handbuchs erhalten und zeigt Stufen eines anschaulichen Stahltemperprozesses. In dem Beispielprozess ergeben sich eine Ausbildung eines Übergangskarbids (epsilon oder eta) und eine Absenkung des Kohlenstoffanteils des Matrix-Martensits auf ungefähr 0,25% Kohlenstoff bei Temperaturen im Bereich von 100°C bis 250°C. Bei Temperaturen im Bereich von 200°C bis 300°C beinhaltet der Prozess einen Übergang von beibehaltenem Austenit zu Ferrit und Zementit. Bei Temperaturen im Bereich von 250°C bis 350°C beinhaltet der Prozess die Ersetzung des Übergangskarbids und des Martensits mit geringem Kohlenstoffanteil durch Zementit und Ferrit.
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5 wurde aus der Referenz 5 des ASM-Handbuchs erhalten und zeigte Reaktionen, die in einem beispielhaften Stahltemperprozess bei Temperaturen im Bereich von –40°C bis 55 0°C auftreten. Zu beachten ist, dass sowohl Zeit als auch Temperatur wichtige Variablen sind, die verwendet werden, um die gewünschte Mikrostruktur, Festigkeit und Duktilität während des Temperprozesses zu erreichen. Der folgende Temperparameter wird häufig verwendet, um die Wechselwirkung zwischen Zeit und Temperatur zu beschreiben: T(20 + logt) × 10–3, wobei T Temperatur in Kelvin und t die Zeit in Stunden ist. Siehe Referenz 3 des ASM-Handbuchs.
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Der Betrag der Erweichung, der beim Tempern auftritt, kann geändert werden, indem Legierungselemente dem Stahlmaterial des Werkstücks zugesetzt werden. Erweichung tritt typischerweise durch die diffusionsgesteuerte Vergröberung von Zementit auf, und starke karbidbildende Elemente, etwa Chrom, Molybdän und Vanadium können die Rate der Bildung von groben Körnern reduzieren. Ferner können bei höheren Tempertemperaturen die legierungsbildenden Elemente selbst Karbide bilden, was zu einer Zunahme der gesamten Härte führt. Siehe Referenz 3 des ASM-Handbuchs.
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Ferner können sich unterschiedliche Morphologien von getemperten Martensit in Abhängigkeit von der ursprünglichen Martensit-Mikrostruktur ausbilden. Es ist beobachtet worden, dass Pakete aus ausgerichteten Latten in einem Martensit mit geringem Kohlenstoffanteil in große, nadelartige Körner übergehen können, wie in 6A–6C gezeigt ist, was durch Referenz 18 des ASM-Handbuchs erreicht wurde. In Platten-Martensit mit höherem Kohlenstoffanteil können große Martensit-Platten in gleichartige Körner beim Tempern übergehen, wie in 7A–7C gezeigt ist. Die Temperparameter können auch so gewählt werden, dass eine Bildung vermieden wird, wobei das Fe3C sich vereinigt, um kugelförmige Teilchen zu bilden, wie in 8A–8B gezeigt ist. 7A–7C und 8A–8B wurden auch durch die Referenz 18 des ASM-Handbuchs erhalten.
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Obwohl der thermomagnetische Temperprozess typischerweise weiche Zonen 12 ergibt, die eine Mischung aus Ferrit und Karbid aufweisen, wobei das Karbid Zementit (Fe3C) ist, können die Temperatur, das Magnetfeld und/oder die Dauer des thermomagnetischen Temperprozesses so eingestellt werden, dass andere Mikrostrukturen und Härtegrade gebildet werden. Beispielsweise kann das Martensit so transformiert werden, dass die Mikrostruktur der mindestens einen weichen Zone 12 eine Mischung aus Ferrit und Perlit aufweisen kann. Wenn ferner mehrere weiche Zonen 12 gebildet werden, können unterschiedliche Mikrostrukturen und Härtegrade jeweils in den weichen Zonen 12 gebildet werden. Die Mikrostruktur der weichen Zonen 12, die durch den thermomagnetischen Temperprozess gebildet werden, kann in Abhängigkeit von der Anwendung der strukturellen Komponente 10 unterschiedlich gestaltet werden.
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Während des thermomagnetischen Temperprozesses werden ausgewählte Gebiete des Werkstücks, in denen weiche Zonen 12 nicht gewünscht sind, vor der thermischen Energie und dem Magnetfeld abgeschirmt, um die martensitische Mikrostruktur beizubehalten. Anders ausgedrückt, gewisse Bereiche des Werkstücks werden abgeschirmt, um zu verhindern, dass die martensitische Mikrostruktur, die am Ende der Schritte der Heißformung und der Abschreckung vorhanden sind, in eine weichere Mikrostruktur übergeht. Es kann ein beliebiges bekanntes Verfahren eingesetzt werden, um diese ausgewählten Gebiete vor dem Magnetfeld und der thermischen Energie abzuschirmen oder anderweitig zu schützen. Die ausgewählten Gebiete, die in der fertig gestellten strukturellen Komponente 10 vorhanden sind, werden als harte Zonen 14 bezeichnet und ihre Position ist abhängig von der gewünschten Anwendung der strukturellen Komponente 10 unterschiedlich.
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Zusätzlich zur Ausbildung der weichen Zonen 12 durch die Anwendung des Magnetfeldes und der thermischen Energie auf vorbestimmte Gebiete des Werkstücks und die Beibehaltung von harten Zonen 14 durch die Abschirmung der ausgewählten Gebiete des Werkstücks kann das Verfahren die Ausbildung der mindestens einen Übergangszone 16 durch zumindest teilweises Abschirmen oder Tempern gewisser Bereiche des Werkstücks umfassen. Die Bereiche des Werkstücks, in denen die Übergangszonen 16 gewünscht sind, können teilweise abgeschirmt oder teilweise getempert werden, sodass sie einem Teil des Magnetfeldes und/oder der thermischen Energie ausgesetzt sind. Beispielsweise kann der Temperschritt eine Abschirmung eines ersten Bereichs des Werkstücks zur Beibehaltung der harten Zone 14, das gleichzeitige Anwenden der thermischen Energie und des Magnetfelds jeweils mit einem ersten Pegel auf einen zweiten Bereich des Werkstücks zur Ausbildung der weichen Zone 12 und das gleichzeitige Anwenden der thermischen Energie und des Magnetfelds jeweils mit einem zweiten Pegel, der niedriger als der erste Pegel ist, auf einen dritten Bereich des Werkstücks zur Ausbildung der Übergangszone 16 zwischen der harten Zone 14 und der weichen Zone 12 umfassen.
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Die Position der Übergangszonen 16 variiert in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung der strukturellen Komponente 10. Jedoch ist hier die Übergangszone 16 typischerweise zwischen einer der harten Zonen 14 und einer der weichen Zonen 12 angeordnet. 2 zeigt eine anschauliche strukturelle Komponente 10 mit der Übergangszone 16.
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Die Mikrostruktur der Übergangszone 16 hat eine Härte, die zwischen der Härte der benachbarten harten Zone 14 und der Härte der benachbarten weichen Zone 12 liegt. Beispielsweise kann die Übergangszone 16 Martensit und/oder Ferrit und/oder Perlit und/oder Zementit und/oder Bainit aufweisen. Typischerweise umfasst die Übergangszone 16 eine Mischung aus unterschiedlichen Mikrostrukturen, beispielsweise eine Mischung aus Ferrit und Perlit.
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Das Verfahren kann ferner optional einen konventionellen Temperprozess zusätzlich zu dem thermomagnetischen Temperprozess beinhalten. Beispielsweise kann eine zweite getemperte Zone gebildet werden, wobei die zweite getemperte Zone eine Mikrostruktur und eine Härte hat, die sich von jenen der weichen Zonen 12, der harten Zonen 14 und der Übergangszone 16 unterscheiden.
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Die heißgeformte, abgeschreckte und getemperte strukturelle Komponente 10, die durch das Verfahren hergestellt wird, kann optional endbearbeitet oder anderweitig weiter für die gewünschte Anwendung aufbereitet werden. Beispielsweise kann das Verfahren nach dem thermomagnetischen Temperschritt eine Endbearbeitung, Oberflächenbearbeitung oder ein Verschweißen der strukturellen Komponente 10 beinhalten.
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Wie zuvor erläutert ist, weist die strukturelle Komponente 10, die von der Erfindung bereitgestellt wird, die mindestens eine weiche Zone 12, die durch den thermomagnetischen Temperprozess erzeugt wird, benachbart zu der mindestens einen harten Zone 14 auf. Die weichen Zonen 12 haben eine Mikrostruktur, die sich von jener der harten Zone 14 unterscheidet, sie haben eine Härte, die geringer als die Härte der harten Zone 14 ist, und sie sind stabiler als die harte Zone 14. Die Mikrostruktur der weichen Zonen 12 weist typischerweise eine Mischung aus Ferrit und Karbid auf, wobei das Karbid Zementit (Fe3C) ist. Jedoch können weiche Zonen 12 mit anderen Mikrostrukturen durch den magnetischen Temperprozess erzeugt werden. Die strukturelle Komponente 10 kann ferner die Übergangszone 16 und/oder die zweite getemperte Zone aufweisen.
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Anschauliche strukturelle Komponenten 10 mit weichen Zonen 12, die durch den thermomagnetischen Temperprozess erzeugt wurden, sind in 1 und 2 gezeigt. 1 zeigt eine beispielhafte A-Säule, ein Grundrohr und eine Schiene eines Fahrzeugs. Die A-Säule weist zwei weiche Zonen 12, die entlang des Fensterbereichs angeordnet und voneinander durch die harte Zone 14 beabstandet sind, auf. Die harte Zone 14 erstreckt sich ferner entlang des Daches des Fahrzeugs. Die Dachschiene und das Grundrohr der 1 weisen jeweils eine weiche Zone 12 auf. Die weiche Zone 12 des Grundrohrs ist von der Übergangszone 16 umgeben, und die weiche Zone 12 der Dachschiene ist von der harten Zone 14 umgeben. In anderen Fällen kann die strukturelle Komponente 10 Flansche zum Verschweißen mit einer weiteren Komponente aufweisen, wobei weiche Zonen 12 entlang den Flanschen ausgebildet sind, um das Verschweißen der Flansche mit der anderen Komponente zu verbessern. In der anschaulichen Schiene der 2 ist die weiche Zone 12 an einem abgewandten Ende der Schiene ausgebildet, die harte Zone 14 erstreckt sich von dem gegenüberliegenden Ende zu der weichen Zone 12 und die Übergangszone 16 ist zwischen der weichen Zone 12 und der harten Zone 14 ausgebildet. Die weichen Zonen 12 weisen typischerweise eine Mischung aus Ferrit und Karbid auf, wobei das Karbid Zementit (Fe3C) ist, wobei jedoch alternativ die weichen Zonen 12 andere Mikrostrukturen mit einer Härte aufweisen können, die geringer als die Härte der harten Zone 14 ist. Beispielsweise können in der anschaulichen Schiene der 2 die weichen Zonen 12 eine Mischung aus Ferrit und Perlit aufweisen.
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EXPERIMENT
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Es wurde ein Experiment ausgeführt, um den thermomagnetischen Temperprozess der vorliegenden Erfindung mit einem konventionellen Temperprozess zu vergleichen. Das Experiment umfasste zunächst die Messung der Rockwell-Härte (Rc) einer ersten Gruppe aus heißgeformten, Werkzeug-abgeschreckten Stahlproben, wie sie nach einem Formierungspressen vor jeglichem Tempern erhalten werden. Das Experiment beinhaltete als nächstes die Messung der Rockwell-Härte (Rc) einer zweiten Gruppe von Proben, die in der gleichen Weise heiß-geformt und Werkzeug-abgeschreckt wurde wie die erste Gruppe, allerdings nach Tempern ohne Anlegen eines Magnetfeldes. Die Temperatur des Temperprozesses lag im Bereich von 300°C bis 450°C, und die Zeitdauer des Temperns betrug 5 oder 25 Minuten. Das Experiment enthielt ferner die Messung der Rockwell-Härte (Rc) einer dritten Gruppe aus Proben, die ebenfalls heiß-geformt und Werkzeug-abgeschreckt in der gleichen Weise war wie die ersten beiden Gruppen, allerdings nach Tempern mit einem Magnetfeld, das mit 2 Tesla angelegt wurde. Das Magnetfeld wurde angelegt, indem jede Probe in einer Bohrung eines supraleitenden Magneten angeordnet wurde. Bis auf das Magnetfeld wurden die gleichen Parameter des Temperprozesses für die zweite und dritte Gruppe der Proben verwendet. Die Ergebnisse des Experiments sind in 9 gezeigt und zeigen an, dass die Proben, die während des Temperprozesses der Einwirkung des Magnetfeldes unterlagen, einen größeren Abfall der Härte zeigen als die Proben, die nicht der Einwirkung des Magnetfeldes ausgesetzt waren. Folglich zeigt das Experiment, dass der thermomagnetische Temperprozess ein effizienteres Verfahren zur Ausbildung weicher Zonen 12 in einer strukturellen Komponente 10 bereitstellt.
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Ersichtlicher Weise sind viele Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der vorhergehenden Lehre möglich und sie kann in anderer Art umgesetzt werden, wie dies speziell beschrieben ist, ohne den Schutzbereich der folgenden Ansprüche zu verlassen.
