EP2655673B1 - Verfahren zum erzeugen gehärteter bauteile - Google Patents
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- EP2655673B1 EP2655673B1 EP11808211.4A EP11808211A EP2655673B1 EP 2655673 B1 EP2655673 B1 EP 2655673B1 EP 11808211 A EP11808211 A EP 11808211A EP 2655673 B1 EP2655673 B1 EP 2655673B1
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Definitions
- the invention relates to a method for producing hardened, corrosion-protected components with the features of claim 1.
- press-hardened components made of sheet steel are used, particularly in automobiles.
- These press-hardened components made of sheet steel are high-strength components that are used in particular as safety components in the bodywork area.
- a sheet steel blank is heated above the so-called austenitizing temperature and, if necessary, kept at this temperature until a desired degree of austenitizing is reached.
- This heated blank is then transferred to a molding tool and in this molding tool, in a one-step molding step, it is formed into the finished component and in the process through the cooled one
- the mold is cooled at the same time at a rate that is above the critical hardening rate. The hardened component is thus produced.
- the component is first formed almost completely, if necessary in a multi-stage forming process. This formed component is then likewise heated to a temperature above the austenitizing temperature and, if necessary, kept at this temperature for a required time.
- This heated component is then transferred and inserted into a molding tool which already has the dimensions of the component or the final dimensions of the component, possibly taking into account the thermal expansion of the preformed component. After the particularly cooled tool has been closed, the preformed component is therefore only cooled in this tool at a speed above the critical hardening speed, and thereby hardened.
- the direct method is a bit easier to implement here, but only allows shapes that can actually be created with a single forming step, i.e. relatively simple profile shapes.
- Zinc has the advantage that zinc not only provides a barrier protection layer like aluminum, but also a cathodic protection against corrosion.
- zinc-coated press-hardened components fit better into the overall corrosion protection concept of the vehicle body, as these are fully galvanized in today's common construction. In this respect, contact corrosion can be reduced or excluded.
- microcracks can also occur in the coating, which are also undesirable, but not nearly as pronounced.
- the zinc-iron phase diagram shows that above 782 ° C there is a large area that contains liquid zinc as long as the iron content is less than 60%. However, this is also the temperature range in which the austenitized steel is hot worked. However, it is also pointed out that if the deformation takes place above 782 ° C, there is a great risk of stress corrosion due to liquid zinc, which penetrates the grain boundaries of the base steel, which leads to macro cracks in the base steel. In addition, if the iron content is less than 30% in the coating, the maximum temperature for forming a safe product without macro cracks is lower than 782 ° C. This is the reason why this is not a direct forming process, but an indirect forming process. This is to circumvent the problem described.
- the steel material having a zinc or zinc alloy coating which is formed on the surface of the steel material and the steel base material with the coating is heated to a temperature of 700 ° C to 1000 ° C and hot formed, wherein the coating has an oxide layer, which consists mainly of zinc oxide, before the steel base material with the zinc or zinc alloy layer is heated in order to then prevent the zinc from evaporating when heated.
- a special procedure is provided for this.
- JP 2007 182608 A discloses a method for producing a hardened steel component with a coating of zinc, which is a direct method for hot forming.
- the object of the invention is to create a method for the production of sheet steel components provided with a corrosion protection layer, in which the formation of cracks is reduced or eliminated and nevertheless sufficient protection against corrosion is achieved.
- the indirect method takes a more favorable route in that the direct method is used in which a zinc or zinc alloy coated plate is heated and is reshaped and quench hardened after heating.
- the composition of the steel alloy is set within the scope of the usual composition of a magnesium drill steel (22 MnB5) so that quench hardening is achieved through a delayed conversion of the austenite into martensite and thus the presence of austenite even in the lower Temperature is carried out below 780 ° C or lower, so that at the moment in which mechanical tension is applied to the steel, which in connection with a zinc melt and austenite would lead to "liquid metal embrittlement", just no or very few liquid zinc phases are present.
- a magnesium drill steel 22 MnB5
- a conventional boron-manganese steel for use as a press-hardening steel material is adjusted with regard to the conversion of the austenite into other phases in such a way that the conversion shifts into deeper ranges.
- the alloying elements boron, manganese, carbon and optionally chromium and molybdenum are used as transformation retarders in such steels.
- quench hardening i.e. H. rapid cooling with a cooling rate above the critical hardening rate can be safely achieved even below 780 ° C.
- work is carried out below the peritectic of the zinc-iron system, i.e. H. mechanical tension is only applied below the peritectic.
- mechanical tension is only applied below the peritectic. This also means that at the moment when mechanical stress is applied, there are no longer any liquid zinc phases that can come into contact with the austenite.
- a holding phase can be provided according to the invention in the temperature range of the peritectic, so that the solidification of the zinc coating is promoted and driven before it is subsequently reshaped.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen gehärteter korrosionsgeschützter Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Es ist bekannt, dass insbesondere in Automobilen sogenannte pressgehärtete Bauteile aus Stahlblech eingesetzt werden. Diese pressgehärteten Bauteile aus Stahlblech sind hochfeste Bauteile, die insbesondere als Sicherheitsbauteile des Karosseriebereichs verwendet werden. Hierbei ist es durch die Verwendung dieser hochfesten Stahlbauteile möglich, die Materialdicke gegenüber einem normalfesten Stahl zu reduzieren und somit geringe Karosseriegewichte zu erzielen.
- Beim Presshärten gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung derartiger Bauteile. Unterschieden wird in das sogenannte direkte und indirekte Verfahren.
- Beim direkten Verfahren wird eine Stahlblechplatine über die sogenannten Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und gegebenenfalls so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis ein gewünschter Austenitisierungsgrad erreicht ist. Anschließend wird diese erhitzte Platine in ein Formwerkzeug überführt und in diesem Formwerkzeug in einem einstufigen Umformschritt zum fertigen Bauteil umgeformt und hierbei durch das gekühlte Formwerkzeug gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt. Somit wird das gehärtete Bauteil erzeugt.
- Beim indirekten Verfahren wird zunächst, gegebenenfalls in einem mehrstufigen Umformprozess, das Bauteil fast vollständig fertig umgeformt. Dieses umgeformte Bauteil wird anschließend ebenfalls auf eine Temperatur über die Austenitisierungstemperatur erhitzt und gegebenenfalls für eine gewünschte erforderliche Zeit auf dieser Temperatur gehalten.
- Anschließend wird dieses erhitzte Bauteil in ein Formwerkzeug überführt und eingelegt, welches schon die Abmessungen des Bauteils bzw. die Endabmessungen des Bauteils gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Wärmedehnung des vorgeformten Bauteils besitzt. Nach dem Schließen des insbesondere gekühlten Werkzeuges wird somit das vorgeformte Bauteil lediglich in diesem Werkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt und dadurch gehärtet.
- Das direkte Verfahren ist hierbei etwas einfacher zu realisieren, ermöglicht jedoch nur Formen, die tatsächlich mit einem einzigen Umformschritt zu realisieren sind, d.h. relativ einfache Profilformen.
- Das indirekte Verfahren ist etwas aufwendiger, dafür aber in der Lage auch komplexere Formen zu realisieren.
- Zusätzlich zum Bedarf an pressgehärteten Bauteilen entstand der Bedarf, derartige Bauteile nicht aus unbeschichtetem Stahlblech zu erzeugen, sondern derartige Bauteile mit einer Korrosionsschutzschicht zu versehen.
- Als Korrosionsschutzschicht kommen im Automobilbau lediglich das eher in geringem Maße verwendeter Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Frage oder aber die erheblich häufiger verlangten Beschichtungen auf der Basis von Zink. Zink hat hierbei den Vorteil, dass Zink nicht nur eine Barriereschutzschicht wie Aluminium leistet, sondern einen kathodischen Korrosionsschutz. Zudem passen sich zinkbeschichtete pressgehärtete Bauteile besser in das Gesamtkorrosionsschutzkonzept der Fahrzeugkarosserien ein, da diese in heute gängiger Bauweise voll verzinkt sind. Insofern kann Kontaktkorrosion vermindert oder ausgeschlossen werden.
- Bei beiden Verfahren konnten jedoch Nachteile aufgefunden werden, die auch im Stand der Technik diskutiert werden. Bei dem direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung von presshärtenden Stählen mit Zinkbeschichtung kommt es zu Mikro- (10 µm bis 100µm) oder sogar Makrorissen im Material, wobei die Mikrorisse in der Beschichtung erscheinen und die Makrorisse sogar durch den vollständigen Blechquerschnitt reichen. Derartige Bauteile mit Makrorissen sind für die weitere Verwendung ungeeignet.
- Beim indirekten Prozess, d.h. der Kaltumformung mit einer anschließenden Härtung und Restformung kann es ebenfalls zu Mikrorissen in der Beschichtung kommen, welche ebenfalls unerwünscht sind, aber bei weitem nicht so ausgeprägt.
- Zinkbeschichtete Stähle werden bislang - bis auf ein Bauteil im asiatischen Raum - im direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung nicht eingesetzt. Hier werden vielmehr Stähle mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung eingesetzt.
- Einen Überblick erhält man in der Veröffentlichung "Corrosion resistance of different metallic coatings on press hardened steels for automotive", Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mez. In dieser Veröffentlichung wird ausgeführt, dass es für den Warmumformprozess einen aluminierten Bor-Mangan-Stahl ergibt, der unter dem Namen Usibor 1500P kommerziell vertrieben wird. Zudem werden zum Zwecke des kathodischen Korrosionsschutzes zinkvorbeschichtete Stähle für das Warmumformverfahren vertrieben, nämlich der verzinkte Usibor GI mit einer Zinkbeschichtung, die geringe Anteile von Aluminium enthält und ein sogenannter galvanealed beschichteter Usibor GA, der eine Zinkschicht mit 10 % Eisen enthält.
- Es wird darauf hingewiesen, dass das Zink-Eisen-Phasendiagramm zeigt, dass oberhalb von 782°C ein großer Bereich entsteht, der flüssiges Zink enthält, so lang der Eisengehalt geringer als 60 % ist. Dies ist jedoch auch der Temperaturbereich, in dem der austenitisierte Stahl warm umgeformt wird. Es wird aber auch darauf hingewiesen, dass, wenn die Umformung oberhalb von 782°C stattfindet, ein großes Risiko der Spannungskorrosion durch flüssiges Zink besteht, welches in die Korngrenzen des Basisstahls eindringt, welche zu Makrorissen im Basisstahl führt. Darüber hinaus ist bei Eisengehalten geringer als 30 % in der Beschichtung die Maximaltemperatur zum Umformen eines sicheren Produkts ohne Makrorisse niedriger als 782°C. Dies ist der Grund, warum hiermit kein direktes Umformverfahren betrieben wird, sondern dass indirekte Umformverfahren. Hiermit soll das geschilderte Problem umgangen werden.
- Eine weitere Möglichkeit dieses Problem zu umgehen, soll darin liegen, galvannealed beschichteten Stahl zu verwenden, was daran liegt, dass der zu Beginn schon bestehende Eisengehalt von 10 % und die Abwesenheit einer Fe2Al5-Sperrschicht den kritischen Wert von 60 % Eisen in der Beschichtung beim Erhitzen schnell überschreitet, was die Anwesenheit von flüssigem Eisen während des Warmumformprozesses vermeidet.
- Aus der
EP 1 439 240 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines beschichteten Stahlproduktes bekannt, wobei Stahlmaterial eine Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung aufweist, die auf der Oberfläche des Stahlmaterials ausgebildet ist und das Stahlbasismaterial mit der Beschichtung auf einen Temperatur von 700°C bis 1000°C erwärmt und warm umgeformt wird, wobei die Beschichtung eine Oxidschicht besitzt, die hauptsächlich aus Zinkoxid besteht, bevor das Stahlbasismaterial mit der Zink- oder Zinklegierungsschicht erwärmt wird, um dann ein Verdampfen des Zinks beim Erwärmen zu verhindern. Hierfür wird ein spezieller Verfahrensablauf vorgesehen. - Aus der
EP 1 642 991 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines Stahles bekannt, bei dem ein Bauteil aus einem gegebenen Bor-Mangan-Stahl auf eine Temperatur am Ac3-Punkt oder höher erhitzt wird, bei dieser Temperatur gehalten wird und dann das erhitzte Stahlblech zum fertigen Bauteil umgeformt wird, wobei das geformte Bauteil durch Kühlung von der Formgebungstemperatur während des Formens oder nach dem Formen in einer solchen Weise abgeschreckt wird, dass die Abkühlrate zum MS-Punkt zumindest der kritischen Abkühlrate entspricht und dass die durchschnittliche Abkühlrate des geformten Bauteils vom MS-Punkt zu 200°C sich im Bereich von 25°C/s bis 150°C/s befindet. AuchJP 2007 182608 A - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von mit einer Korrosionsschutzschicht versehenen Stahlblechbauteilen zu schaffen, bei dem die Rissbildung vermindert oder beseitigt wird und dennoch ein ausreichender Korrosionsschutz erzielt wird.
- Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Der vorbeschriebene Effekt der Rissbildung durch flüssiges Zink, welches den Stahl im Bereich der Korngrenzen penetriert, ist auch als sogenanntes "liquid metal embrittlement" bekannt.
- Im Gegensatz zur im Stand der Technik eingeschlagenen Richtung wegen des "liquid metal embrittlements", das indirekte Verfahren auch bei einfachen Geometrien vorzusehen, geht die Erfindung einen günstigeren Weg indem das direkte Verfahren Anwendung findet, bei dem eine mit Zink oder einer Zinklegierung beschichtete Platine aufgeheizt wird und nach dem Aufheizen umgeformt und abschreckgehärtet wird.
- Wie erfindungsgemäß erkannt wurde darf möglichst keine Zinkschmelze mit Austenit während der Umformphase, also dem Eintrag von Spannung, in Berührung kommen. Erfindungsgemäß wird daher vorgesehen, die Umformung unter der peritektischen Temperatur des Systems Eisen-Zink (Schmelze, Ferrit, T-Phase) durchzuführen. Um hierbei eine Abschreckhärtung noch gewährleisten zu können wird die Zusammensetzung der Stahllegierung im Rahmen der üblichen Zusammensetzung eines Magnesium-Bohrstahles (22 MnB5) so eingestellt, dass eine Abschreckhärtung durch eine verzögerte Umwandlung des Austenits in Martensit und damit das Vorhandensein von Austenit auch bei der tieferen Temperatur unterhalb von 780°C oder tiefer durchgeführt wird, so dass in dem Moment in dem mechanische Spannung auf den Stahl eingebracht wird, welche in Verbindung mit einer Zinkschmelze und Austenit zum "liquid metal embrittlement" führen würde, eben keine oder nur noch sehr wenige flüssige Zinkphasen vorhanden sind. Somit gelingt es mittels eines entsprechend der Legierungselemente eingestellten Bor-Manganstahls eine ausreichende Abschreckhärtung zu erzielen ohne eine übermäßige oder schädigende Rissbildung zu provozieren.
- Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, es zeigen dabei:
- Figur 1:
- eine Tabelle zeigend die Ofenverweildauer von mit einer 140 g/m2 betragenden Zinkschicht beschichteten Stahlplatinen mit unterschiedlichen Transferzeiten ins Umformwerkzeug und damit verbundenen repräsentativen Risstiefen;
- Figur 2:
- die Zeit-Temperaturkurve bei der Abkühlung zwischen Ofen und Umformung;
- Figur 3:
- stark vergrößerte Bilder zeigend die Proben mit den unterschiedlichen Transferzeiten;
- Figur 4:
- Querschnittschliffdarstellungen der Proben nach
Figur 3 ; - Figur 5:
- das Zink-Eisen-Diagramm.
- Erfindungsgemäß wird ein üblicher Bor-Manganstahl zur Verwendung als presshärtender Stahlwerkstoff bezüglich der Umwandlung des Austenits in andere Phasen so eingestellt, dass sich die Umwandlung in tiefere Bereiche verschiebt.
- Für die Erfindung sind somit Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
C [%] Si [%] Mn [%] P [%] S [%] Al [%] Cr [%] Ti [%] [%] B N [%] 0,22 0,19 1,22 0,0066 0,001 0,053 0,26 0,031 0,0025 0,0042 - Wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.
- Für die Erfindung sind somit Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
Kohlenstoff (C) 0,08-0,6 Mangan (Mn) 0,8-3,0 Aluminium (Al) 0,01 - 0,07 Silizium (Si) 0,01-0,5 Chrom (Cr) 0,02-0,6 Titan (Ti) 0,01-0,05 Stickstoff (N) 0,003-0,1 Bor (B) 0,0005 - 0.06 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1 - Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnungen wie folgt (alle Angaben in Masse-%):
Kohlenstoff (C) 0,08-0,30 Mangan (Mn) 1,00-3,00 Aluminium (Al) 0,03-0,06 Silizium (Si) 0,15-0,20 Chrom (Cr) 0,2-0,3 Titan (Ti) 0,03-0,04 Stickstoff (N) 0,004-0,006 Bor (B) 0,001-0,06 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1 - Durch die Einstellung der als Umwandlungsverzögerer wirkenden Legierungselemente wird eine Abschreckhärtung, d. h. eine rasche Abkühlung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Abkühlgeschwindigkeit auch noch unter 780°C sicher erreicht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall unterhalb des Peritektikums des Systems Zink-Eisen gearbeitet wird, d. h. erst unterhalb des Peritektikums mechanische Spannung aufgebracht wird. Dies bedeutet ferner, dass in dem Moment in dem mechanische Spannung aufgebracht wird, keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind welche mit dem Austenit in Kontakt kommen können.
- In
Figur 1 erkennt man, dass diese unterschiedliche Ausgangstemperatur beim Härten durch unterschiedliche Transferzeiten aus dem Ofen in die Umformpresse erzielt wurden. Bei einer Transferzeit von 3 Sek. erkennt man stark ausgebildete tiefgehende Risse mit einer repräsentativen Risstiefe von 200 µm. Über Transferzeiten von 5 Sek. und 7 Sek. erkennt man, dass sowohl die Rissstärke als auch die Risstiefe sichtbar abnehmen, während bei einer Transferzeit von 9 Sek. soweit vorangeschritten ist, dass die Tief und Breite der Risse deutlich gesunken ist. Dies war in dieser Form so nicht zu erwarten, da der Fachmann trotz des bekannten Phänomens des liquid metal embrittlements davon ausgegangen wäre, dass eine sehr weiche duktile und viele flüssige Phasen entfaltende mehr oder weniger flüssige metallische Deckschicht dem Umformen besser folgen kann als eine bereits feste metallische Schicht. - Zudem kann nach dem Aufheizen der Platine man erfindungsgemäß im Temperaturbereich des Peritektikums eine Haltephase vorsehen, so dass die Erstarrung der Zinkbeschichtung gefördert und vorangetrieben wird bevor anschließend umgeformt wird.
- Mit der Erfindung gelingt es somit, zuverlässig ein kostengünstiges Warmumformverfahren für mit Zink oder Zinklegierungen beschichteter Stahlbleche zu erreichen bei dem einerseits eine Abschreckhärtung herbeigeführt wird und andererseits Mikro- und Makrorissbildung, die zu Bauteilschäden führt, vermindert oder vermieden wird.
Claims (3)
- Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils mit einer Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung, wobei aus einem mit dem Zink oder der Zinklegierung beschichteten Blech eine Platine ausgestanzt wird, die ausgestanzte Platine auf eine Temperatur ≥Ac3 erhitzt und ggf. bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird um die Austenitbildung durchzuführen und anschließend die aufgeheizte Platine in ein Formwerkzeug überführt wird, in dem Formwerkzeug umgeformt wird und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt und dadurch gehärtet wird,
wobei der Stahlwerkstoff derart umwandlungsverzögert eingestellt ist, dass bei einer Umformtemperatur die im Bereich von 600°C bis 800°C, insbesondere 730°C bis 782°C, und unter der peritektischen Temperatur des Zink-Eisen-Diagramms liegt, eine Abschreckhärtung durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei ein Stahlwerkstoff mit folgender Analyse verwendet wird (alle Angaben in Masse-%):Kohlenstoff (C) 0,08-0,6 Mangan (Mn) 0,8-3,0 Aluminium (Al) 0,01-0,07 Silizium (Si) 0,01-0,5 Chrom (Cr) 0,02-0,6 Titan (Ti) 0,01-0,05 Stickstoff (N) 0,003-0,1 Bor (B) 0,0005-0,06 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff mit folgender Analyse verwendet wird (alle Angaben in Masse-%):
Kohlenstoff (C) 0,08-0,30 Mangan (Mn) 1,00-3,00 Aluminium (Al) 0,03-0,06 Silizium (Si) 0,15-0,20 Chrom (Cr) 0,2-0,3 Titan (Ti) 0,03-0,04 Stickstoff (N) 0,004-0,006 Bor (B) 0,001-0,06 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1 - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine in einem Ofen auf eine Temperatur >Ac3 aufgeheizt wird und für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird und anschließend die Platine auf eine Temperatur zwischen 600°C bis 800°C, insbesondere 730°C bis 782°C abkühlen gelassen und auf dieser Temperatur gehalten wird, um eine Verfestigung der Zinkschicht zu erzielen und nach einer vorbestimmten Haltezeit in das Formwerkzeug überführt und dort umgeformt wird.
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