EP2655675B1 - Verfahren zum erzeugen gehärteter bauteile - Google Patents

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EP2655675B1
EP2655675B1 EP11811025.3A EP11811025A EP2655675B1 EP 2655675 B1 EP2655675 B1 EP 2655675B1 EP 11811025 A EP11811025 A EP 11811025A EP 2655675 B1 EP2655675 B1 EP 2655675B1
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EP
European Patent Office
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cooling
temperature
zinc
blank
steel
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EP11811025.3A
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Andreas Sommer
Harald Schwinghammer
Siegfried Kolnberger
Thomas Kurz
Martin Rosner
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Voestalpine Stahl GmbH
Original Assignee
Voestalpine Stahl GmbH
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Priority claimed from DE102011053939.5A external-priority patent/DE102011053939B4/de
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    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/04—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
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    • C23C2/26—After-treatment
    • C23C2/28—Thermal after-treatment, e.g. treatment in oil bath
    • C23C2/29—Cooling or quenching

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 in automobiles in particular.
  • 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 it is formed into the finished component in a single-stage forming step, and in the process through the cooled one Mold simultaneously cooled 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 somewhat easier to implement here, but only enables shapes that can actually be created with a single forming step, i.e. relatively simple profile shapes.
  • the indirect method is a bit more complex, but it is also able to produce more complex 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 in which liquid zinc-iron phases occur as long as the iron content is low, in particular 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 presumably penetrates the grain boundaries of the base steel, which leads to macro cracks in the base steel. In addition, with iron contents 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 intended to circumvent the problem described.
  • a method for hot forming a coated steel product wherein the steel material has 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 worked wherein the coating has an oxide layer consisting 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.
  • a method for hot forming a steel in which a component made of a given boron-manganese steel is heated to a temperature at Ac 3 point or higher, is kept at this temperature and then the heated steel sheet is formed into the finished component, wherein the molded component is quenched by cooling from the molding temperature during molding or after molding in such a way that the cooling rate to the MS point is at least equal to the critical cooling rate and that the average cooling rate of the molded component from the MS point at 200 ° C is in the range of 25 ° C / s to 150 ° C / s.
  • an oxide skin is formed on the surface of the anti-corrosion coating from the elements with an affinity for oxygen during heating, which protects the cathodic anti-corrosion layer, in particular the zinc layer.
  • the method takes into account the thermal expansion of the component due to the scaling down of the component in relation to its final geometry, so that neither calibration nor reshaping is necessary during hot-stamping.
  • WO 2010/109012 A1 From the WO 2010/109012 A1 the applicant is known a method for producing partially hardened steel components, wherein a blank made of a hardenable steel sheet is subjected to a temperature increase which is sufficient for quench hardening and the blank is transferred to a forming tool after reaching a desired temperature and possibly a desired holding time by the The blank is formed into a component and quenched hardened at the same time, or the blank is cold formed and the component obtained by the cold forming is then subjected to a temperature increase, the temperature increase being carried out so that a temperature of the component is reached that is necessary for quench hardening is necessary and the component is then transferred to a tool, in which the heated component is cooled and thereby quenched and hardened, with during the heating of the board or the component for the purpose of increasing the temperature to one for hardening necessary temperature in the areas that should have a lower hardness and / or a higher ductility, absorption masses are applied or are spaced with a small gap,
  • the object of the invention is to create a method for producing sheet steel components provided with an anti-corrosion layer, in which the formation of cracks is reduced or eliminated and, nevertheless, adequate protection against corrosion is achieved.
  • the invention takes a more favorable route by using the direct method in which a plate coated with zinc or a zinc alloy 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 manganese-boron steel (22MnB5) so that quench hardening is carried out, and the presence of austenite also in the case of the delayed conversion of austenite into martensite Lower temperature below 780 ° C or lower is reached, so that at the moment in which mechanical stress is introduced into the steel by deformation, which in connection with a zinc melt and austenite would lead to "liquid metal embrittlement", just none or only very few liquid zinc phases are still present. It is thus possible to achieve sufficient quench hardening by means of a boron-manganese steel adjusted according to the alloying elements without provoking excessive or damaging crack formation.
  • the cooling can take place with air nozzles, whereby the control of air nozzles for blowing can take place via pyrometers, which, for example, are available outside the press and the furnace in a separate system as well as the corresponding nozzles.
  • the cooling options are not limited to air nozzles, cooled tables can also be used on which the circuit boards are positioned accordingly, so that the circuit boards come to rest on cooled areas of the table and are brought into thermally conductive contact, for example by pressing or sucking.
  • a conventional boron-manganese steel (e.g. 22MnB5) for use as a press-hardening steel material is adjusted with regard to the transformation of the austenite into other phases in such a way that the transformation shifts to deeper areas and martensite can be formed.
  • the alloying elements boron, manganese, carbon and optionally chromium and molybdenum are used as conversion retarders in such steels.
  • quench hardening i. 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. 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 in the temperature range of the peritectic, so that the solidification of the zinc coating is promoted and promoted before it is subsequently reshaped.
  • Figure 1 one recognizes a favorable temperature profile for an austenitized steel sheet, whereby it can be seen that after the heating to a temperature above the austenitizing temperature, a certain cooling already takes place by the corresponding placing in a cooling device. This is followed by a rapid intermediate cooling step.
  • the intermediate cooling step is advantageously carried out at cooling rates of at least 15 K / s, preferably at least 30 K / s, more preferably at least 50 K / s.
  • the blank is then transferred to the press and reshaped and hardened.

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 verwendete 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 100 µm) 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 gibt, 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, in dem flüssige Zink-Eisen-Phasen auftreten, solange der Eisengehalt gering, insbesondere 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 vermutlich 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 zu einer homogeneren Ausbildung des Beschichtung von überwiegend eisenreichen Phasen führt. Dies resultiert in einer Verringerung oder Vermeidung von zinkreichen, flüssigen Phasen.
  • In "'STUDY OF CRACKS PROPAGATION INSIDE THE STEEL ON PRESS HARDENED STEEL ZINC BASED COATINGS', Pascal Drillet, Raisa Grigorieva, Gregory Leuillier, Thomas Vietoris, 8th International Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet, GALVATECH 2011 - Conference Proceedings, Genova (Italy), 2011" wird darauf hingewiesen, dass verzinkte Bleche im direkten Verfahren nicht verarbeitbar sind.
  • Aus der EP 1 439 240 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines beschichteten Stahlproduktes bekannt, wobei das 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.
  • Aus der EP 1 651 789 B1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech bekannt, wobei hierbei Formteile aus einem mit einem kathodischen Korrosionsschutz versehenen Stahlblech kalt umgeformt werden und eine Wärmebehandlung zum Zwecke der Austenitisierung folgt, wobei vor, beim oder nach dem Kaltumformen des Formteils ein Endbeschnitt des Formteils und erforderliche Ausstanzungen oder die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen werden und die Kaltumformung sowie der Beschnitt und die Ausstanzung und Anordnung des Lochbildes auf dem Bauteil 0,5 % bis 2 % kleiner ausgeführt werden als die Dimensionen, die das endgehärtete Bauteil haben soll, wobei das zur Wärmebehandlung kalt umgeformte Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise unter Zutritt von Luftsauerstoff auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffes ermöglicht und das erhitzte Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird und in diesem Werkzeug eine sogenannte Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das Anlegen und Pressen (Halten) des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird und die kathodische Korrosionsschutzbeschichtung aus einer Mischung aus im Wesentlichen Zink besteht und zudem ein oder mehrere sauerstoffaffine Elemente. Hierdurch wird an der Oberfläche der Korrosionsschutzbeschichtung eine Oxidhaut aus den sauerstoffaffinen Elementen während des Aufheizens gebildet, welche die kathodische Korrosionsschutzschicht, insbesondere die Zinkschicht, schützt. Zudem wird bei dem Verfahren durch die maßstäbliche Verkleinerung des Bauteils in Bezug auf seine Endgeometrie die Wärmedehnung des Bauteils berücksichtigt, so dass beim Formhärten weder eine Kalibrierung noch eine Umformung notwendig sind.
  • Aus der WO 2010/109012 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile bekannt, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Temperaturerhöhung unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht und die Platine nach Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit in ein Umformwerkzeug überführt wird, indem die Platine zu einem Bauteil umgeformt und gleichzeitig abgeschreckt gehärtet wird, oder die Platine kalt umgeformt wird und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das erhitzte Bauteil abgekühlt und dadurch abgeschreckt gehärtet wird, wobei während des Erhitzens der Platine oder des Bauteils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur in den Bereichen, die eine geringere Härte und/oder eine höhere Duktilität besitzen sollen, Absorptionsmassen anliegen oder mit einem geringen Spalt beabstandet sind, wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Wärmekapazität und/oder hinsichtlich ihres Emissionsgrades gerade so dimensioniert sind, dass die in dem duktil verbleibendem Bereich auf das Bauteil einwirkende Wärmeenergie durch das Bauteil hin durch in die Absorptionsmasse fließt, so dass diese Bereiche kühler bleiben und insbesondere die zum Härten notwendige Temperatur gerade nicht oder nur teilweise erreichen, so dass diese Bereiche nicht oder nur teilweise gehärtet werden können.
  • Aus der DE 10 2005 003 551 A1 ist ein Verfahren zur Warmumformung und Härtung eines Stahlblechs bekannt, bei dem ein Stahlblech auf eine Temperatur über den Ac3-Punkt erwärmt wird, danach eine Abkühlung auf eine Temperatur im Bereich von 400°C bis 600°C erfährt und erst nach Erreichen dieses Temperaturbereichs umgeformt wird. Diese Schrift geht allerdings nicht auf die Rissproblematik bzw. eine Beschichtung ein, noch wird eine Martensitbildung beschrieben. Ziel der Erfindung ist die Bildung von Zwischengefüge, sogenanntem Bainit.
  • 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" oder "liquid metal assisted cracking" 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, Gamma-Phase) durchzuführen. Um hierbei eine Abschreckhärtung noch gewährleisten zu können wird die Zusammensetzung der Stahllegierung im Rahmen der üblichen Zusammensetzung eines Mangan-Borstahles (22MnB5) so eingestellt, dass eine Abschreckhärtung durchgeführt, und dabei durch eine verzögerte Umwandlung des Austenits in Martensit das Vorhandensein von Austenit auch bei der tieferen Temperatur unterhalb von 780°C oder tiefer erreicht wird, so dass in dem Moment in dem mechanische Spannung durch Umformung 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.
  • Insbesondere kann die Kühlung mit Luftdüsen erfolgen, wobei die Steuerung von Luftdüsen zum Anblasen über Pyrometer erfolgen kann, die beispielsweise außerhalb der Presse und des Ofens in einer gesonderten Anlage ebenso wie die entsprechenden Düsen vorhanden sind.
  • Die Kühlmöglichkeiten sind hierbei nicht auf Luftdüsen beschränkt, es können auch gekühlte Tische verwendet werden auf denen die Platinen entsprechend positioniert werden, so dass die Platinen auf abgekühlten Bereichen des Tisches zu liegen kommen und beispielsweise durch Aufdrücken oder Ansaugen in wärmeleitenden Kontakt gebracht werden.
  • Auch der Einsatz einer Kühlpresse ist denkbar, bei der die Pressengeometrie durch die ebenen Platinen denkbar einfach und günstig ist, wobei die Bereiche des Werkzeugs in denen die Platine abgekühlt werden soll entsprechend flüssig gekühlt sind. Vollflächig aufgeheizte Platinen können in entsprechenden Einrichtungen somit vollflächig abgekühlt werden, wobei die vollflächige Abkühlung sowohl über die beschriebenen Tische als auch über die beschriebenen Zwischenpressen als auch über einfaches Ansprühen, Anblasen oder Eintauchen erfolgen kann.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, es zeigen dabei:
    • Figur 1:
    die Zeit-Temperaturkurve bei der Abkühlung zwischen Ofen und Umformung;
    Figur 2:
    das Zink-Eisen-Diagramm;
    Figur 3:
    Querschnittschliffdarstellungen der Oberfläche von Proben mit und ohne Zwischenkühlung;
    Figur 4:
    ZTU-Schaubild mit vereinfachter Darstellung des Abkühlverlaufs.
  • Erfindungsgemäß wird ein üblicher Bor-Manganstahl (z.B. 22MnB5) zur Verwendung als presshärtender Stahlwerkstoff bezüglich der Umwandlung des Austenits in andere Phasen so eingestellt, dass sich die Umwandlung in tiefere Bereiche verschiebt und Martensit gebildet werden kann.
  • Für die Erfindung sind somit Stähle dieser 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
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
  • Wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.
  • Für die Erfindung sind auch 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) 0,01-0,08
    Stickstoff (N) < 0,02
    Bor (B) 0,002-0,02
    Phosphor (P) < 0,01
    Schwefel (S) < 0,01
    Molybdän (Mo) < 1
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
  • 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) 0,01-0,20
    Chrom (Cr) 0,02-0,3
    Titan (Ti) 0,03-0,04
    Stickstoff (N) < 0,007
    Bor (B) 0,002-0,006
    Phosphor (P) < 0,01
    Schwefel (S) < 0,01
    Molybdän (Mo) < 1
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
  • 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.
  • Zudem kann nach dem Aufheizen der Platine erfindungsgemäß im Temperaturbereich des Peritektikums eine Haltephase vorgesehen sein, so dass die Erstarrung der Zinkbeschichtung gefördert und vorangetrieben wird bevor anschließend umgeformt wird.
  • In Figur 1 erkennt man einen günstigen Temperaturverlauf für ein austenitisiertes Stahlblech, wobei erkennbar ist, dass nach dem Aufheizen auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur durch das entsprechende Verbringen in eine Kühleinrichtung bereits eine gewisse Abkühlung stattfindet. Anschließend folgt ein rascher Zwischenkühlschritt. Der Zwischenkühlschritt wird vorteilhafterweise mit Abkühlgeschwindigkeiten mit mindestens 15 K/s, vorzugsweise mindestens 30 K/s, weiter bevorzugt mindestens 50 K/s durchgeführt. Anschließend wird die Platine in die Presse transferiert und die Umformung und Härtung durchgeführt.
  • In Figur 3 erkennt man den Unterschied in der Rissbildung. Ohne Zwischenkühlung erfolgt eine Rissbildung, die bis in das Stahlmaterial reicht, mit der Zwischenkühlung ergeben sich lediglich oberflächliche Risse in der Beschichtung, die jedoch unkritisch sind.
  • 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 (5)

  1. 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, in dem der Stahlwerkstoff derart umwandlungsverzögert eingestellt ist, dass bei einer Umformtemperatur die im Bereich von 450°C bis 700°C und unter der peritektischen Temperatur des Eisen-Zink-Systems liegt, eine Abschreckhärtung durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei nach dem Erhitzen und vor dem Umformen ein aktives Kühlen stattfindet, bei dem die Platine oder Teile der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit >15K/s abgekühlt wird, 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) 0,01-0,08 Stickstoff (N) < 0,02 Bor (B) 0,002-0,02 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen und der Kühlungsfortschritt und/oder die Einlegetemperatur in das Umformwerkzeug mittels Sensoren, insbesondere Pyrometern überwacht und die Kühlung entsprechend gesteuert wird, wobei
    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 500°C und 600°C abgekühlt wird, um eine Verfestigung der Zinkschicht zu erzielen und anschließend in das Formwerkzeug überführt und dort umgeformt wird.
  2. 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) 0,01-0,20 Chrom (Cr) 0,02-0,3 Titan (Ti) 0,03-0,04 Stickstoff (N) < 0,007 Bor (B) 0,002-0,006 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung so durchgeführt wird, dass die Abkühlrate >30 K/s beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung so durchgeführt wird, dass die Abkühlung mit mehr als 50 K/s stattfindet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung durch Anblasen mit Luft oder Gas, Ansprühen mit Wasser oder anderen Kühlflüssigkeiten, Eintauchen in Wasser oder andere Kühlflüssigkeiten erfolgt oder die aktive Kühlung durch das Anlegen von kühleren Festkörpern an die Platine bewirkt wird.
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