EP3004401B1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils durch warmumformen eines vorproduktes aus stahl - Google Patents

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EP3004401B1
EP3004401B1 EP14731900.8A EP14731900A EP3004401B1 EP 3004401 B1 EP3004401 B1 EP 3004401B1 EP 14731900 A EP14731900 A EP 14731900A EP 3004401 B1 EP3004401 B1 EP 3004401B1
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max
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heating
temperature
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Stefan MÜTZE
Michael Braun
Manuel Maikranz-Valentin
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Salzgitter Flachstahl GmbH
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component by hot forming a precursor of steel according to the preamble of claim 1.
  • precursors z.
  • Such components are mainly used in the automotive and commercial vehicle industry, but also in mechanical engineering or construction offer opportunities.
  • the hotly contested market is forcing automakers to constantly seek solutions to reduce their fleet consumption while maintaining the highest possible comfort and occupant safety.
  • the weight saving of all vehicle components plays a decisive role, on the other hand, but also a most favorable behavior of the individual components with high static and dynamic stress during operation as well as in the event of a crash.
  • the primary suppliers are trying to meet this need by reducing the wall thickness by providing high-strength and ultra-high-strength steels, while at the same time improving component behavior during production and operation.
  • the metallic coating is applied as corrosion protection usually in the continuous hot dip process on a hot or cold strip or on the precursor produced therefrom, z. B. as hot dip galvanizing or Feueralum ist.
  • the board is cut to fit the hot forming forming tool. It is also possible to provide the respective workpiece to be formed, or the blank, with a hot-dip coating.
  • the application of a metallic coating on the preform to be formed prior to hot forming is advantageous in this method because the coating effectively prevents scaling of the base material and, due to an additional lubricating effect, excessive tool wear.
  • thermoformable steels for this application are z. B. the manganese-boron steel "22MnB5" and more recently also luftvergütbare steels according to the DE 10 2010 024 664 A1 ,
  • the EP 2 546 375 A1 It is known to reshape a steel having a microstructure in the initial state by means of press-hardening and to adjust a structure of bainite, tempered martensite and retained austenite on the finished component by means of a step-shaped process control.
  • the sheet to be formed is first heated to a temperature of 750 to 1000 ° C and held at this temperature for 5 to 1000 seconds, then formed at 350 to 900 ° C and cooled to 50 to 350 ° C. Finally, reheating to a temperature of 350 to 490 ° C, which is held in a period of 5 to 1000 seconds.
  • the microstructure on the finished component consists of 10 to 85% martensite, 5 to 40% retained austenite and at least 5% bainite.
  • this process requires a great deal of energy by heating the precursor to austenitizing temperature and converting ferrite into austenite, which makes the process expensive and produces significant amounts of CO 2 .
  • a further disadvantage is that to obtain appropriate component strengths after press hardening only convertible steels can be used with a sufficient conversion inertia, which must have correspondingly expensive alloying additions for the structure to be achieved and hardness after forming.
  • a method for producing a component by hot forging of a precursor of steel below the Ac 1 transformation temperature in which an increase in strength in the component is achieved by cold forming the precursor before heating to forming temperature.
  • an additional increase in strength in the component can be achieved by using higher-strength materials, such as bainitic, martensitic, microalloyed and dual or multiphase steels.
  • the disadvantage here is the additional expense of the necessary cold forming before heating to forming temperature.
  • Dual phase steels also have the disadvantage of hot edge deformation susceptibility to edge crack induced failure during forming.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a component by hot working a precursor of steel at temperatures below the A c1 conversion point, which is inexpensive and can be achieved with the comparable or improved properties of the formed component as in the known hot forming by press hardening.
  • strengths of more than 800 MPa at yield strengths of more than 700 MPa and breaking elongations A 80 of more than 8% on the finished component should be achieved with a ductile failure behavior of the component.
  • this object is achieved by a method for producing a component by hot forming a precursor of steel, in which the precursor is heated to forming temperature and then formed, wherein the component after forming a bainitic microstructure with a minimum tensile strength of 800 MPa which is characterized in that the heating takes place at a temperature below the A c1 transformation temperature, wherein even the precursor of a
  • the inventive method has opposite to that of DE 601 19 826 T2 or the EP 2 546 375 A1 known method for producing a component by means of press hardening on the advantage that at significantly lower energy requirements for heating by the use of a bainitic steel already in the initial state, a component with mechanical characteristics is provided which are equal or even better than the mechanical properties in the initial state of the precursor. This saves energy costs.
  • Opposite the DE 10 2011 108 162 A1 can with the alloy composition according to the invention and a precursor, which already has a microstructure with at least 50% bainite in the initial state, waived the additional step of cold deformation of the precursor to increase the strength and the required mechanical properties of the component can be adjusted specifically after the warm forging.
  • the bainitic steel used for the process according to the invention obtains its microstructure according to the invention via an appropriate temperature control during the production process of the preliminary product.
  • a “softening” is often associated with a structural transformation and is thus time and temperature critical.
  • the use of the precursor of the invention of mainly bainitic steel, however, is largely insensitive, so that z. B. intended or unintended Zeitund temperature changes during heating and forming cause no deterioration of the mechanical properties. Due to this advantageous material behavior even demanding multi-stage process steps can be carried out reproducibly.
  • the particular advantage of using this alloy concept and the bainitic microstructure remains in a very fine and homogeneous microstructure with at least 70% bainite and only small amounts of ferrite, retained austenite and martensite. It is necessary for the achievement of the required mechanical properties that the structure has at least 70% bainite and the amounts of retained austenite + martensite are ⁇ 10% and the remainder consists of ferrite.
  • Sheets were tested with a thickness of 1.8 to 2.25 mm, which were heated in the oven at a temperature of 600 ° C for 3 minutes and then cooled between two flat tool components in a forming press.
  • the materials tested are indicated in Tables 1 and 2 by the letters a, b, c, d, e and f.
  • the alloy compositions of the materials correspond to the invention, but the microstructures were set differently in the initial state.
  • steel a had a ferritic-bainitic basic structure "FB" before being heated to forming temperature
  • steel b a bainitic "B”
  • steel c a mixed structure of martensite, bainite and ferrite "MBF”
  • the steels d and e had a ferritic "F” and the steel f a martensitic matrix "M”.
  • the bainite content in the microstructure was below 50% and in steel b over 50%. It can be seen from Table 2 that only the steel b with a predominantly bainitic starting structure of the precursor satisfies the requirements for mechanical properties with a minimum tensile strength of 800 MPa and a minimum elongation at break A80 of more than 8% after hot forging.
  • Typical applications for exploiting the high strength potential while at the same time saving weight on the component are mobile crane construction, longitudinal and transverse beams in trucks and trailers, safety and chassis parts in passenger cars and wagon construction.
  • the steel according to the invention or the component produced therefrom is characterized by a very high yield strength and tensile strength of more than 800 MPa with a sufficiently high elongation. Due to the chemical composition also good weldability is given.
  • the aforementioned steel can furthermore be provided in a known manner with a scale-inhibiting or corrosion-inhibiting layer based on lacquer or with a metallic coating.
  • the metallic coating may contain zinc and / or magnesium and / or aluminum and / or silicon.
  • surface-finished hot or cold strip can already be used for forming following heating, since the adhesion and the ductility endure half-warm forming with low degrees of deformation.
  • the metallic coating is resistant to short-term reheating of the substrate / coating combination (steel strip / coating) below the Ac 1 temperature of the substrate to survive reheating prior to semi-hot forming and actual semi-hot forming.
  • the reheating takes place before the half-warm forms by means of radiation, since the efficiency is significantly higher than when heated in an oven or conductive heating and the energy input into the material takes place faster and more effective depending on the surface condition.
  • the material is also very suitable for partial heating.
  • z. B. emitters can be selectively heated individual areas of the preform to be formed in order to obtain formability optimized zones. This advantageously allows the use of conventional presses for cold forming, so that it is possible to dispense with a complex hot-forming installation, as is necessary in press-hardening.
  • the precursor is heated to a temperature of below 720 ° C advantageously in a temperature range of 400 - 700 ° C and then formed into a component.
  • the optimum forming temperature is dependent on the required strength of the component and is preferably between about 500 ° C and 700 ° C. Long holding times to obtain a bainitic structure as in the EP 2 546 375 A1 are not required, so that the process time for the production of the component is significantly shortened.
  • the temperature range of the semi-warming is locally exceeded in the austenitizing region in order to undertake local changes in properties (eg local hardening) which, in combination with the increase in the strength of the remaining material, later Demands of the component are adjusted.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen eines Vorproduktes aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Als Vorprodukte werden nachfolgend z. B. Bleche vom Coil geschnitten oder als Platinenzuschnitt oder nahtlose bzw. geschweißte Rohre, die fallweise zusätzlich kaltgezogen sein können, verstanden.
  • Derartige Bauteile werden hauptsächlich in der Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie verwendet, aber auch im Maschinenbau oder Bauwesen bieten sich Einsatzmöglichkeiten.
  • Der heiß umkämpfte Markt zwingt die Automobilhersteller ständig nach Lösungen zur Senkung ihres Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer Beanspruchung im Betrieb wie auch im Crashfall.
  • Dieser Notwendigkeit versuchen die Vormateriallieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitstellung hoch- und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei der Fertigung und im Betrieb.
  • Diese Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer Verarbeitbarkeit beispielsweise bei der Kaltumformung und beim Schweißen genügen.
  • Unter den vorgenannten Aspekten gewinnt die Herstellung von Bauteilen aus warmumformbaren Stählen zunehmend an Bedeutung, da diese bei geringerem Materialaufwand die gestiegenen Anforderungen an die Bauteileigenschaften ideal erfüllen. Die Herstellung von Bauteilen mittels Abschreckung von Vorprodukten aus presshärtbaren Stählen durch Warmumformen in einem Umformwerkzeug ist aus der DE 601 19 826 T2 bekannt. Hier wird eine zuvor oberhalb der Austenitisierungstemperatur auf 800 - 1200°C erwärmte und ggf. mit einem metallischen Überzug aus Zink oder auf Basis von Zink versehene Blechplatine in einem fallweise gekühlten Werkzeug durch Warmumformung zu einem Bauteil umgeformt, wobei während des Umformens durch schnellen Wärmeentzug das Blech bzw. Bauteil im Umformwerkzeug eine Abschreckhärtung (Presshärtung) erfährt und dadurch die geforderten Gefüge- und Festigkeitseigenschaften erreicht.
  • Der metallische Überzug wird als Korrosionsschutz üblicherweise im kontinuierlichen Schmelztauchverfahren auf ein Warm- oder Kaltband bzw. auf das daraus hergestellte Vorprodukt aufgebracht, z. B. als Feuerverzinkung oder Feueraluminierung.
  • Anschließend wird die Platine für das Umformwerkzeug der Warmumformung passend zugeschnitten. Möglich ist auch, das jeweils umzuformende Werkstück, bzw. den Zuschnitt, mit einem Schmelztauchüberzug zu versehen.
  • Das Aufbringen eines metallischen Überzugs auf das umzuformende Vorprodukt vor dem Warmumformen ist bei diesem Verfahren von Vorteil, weil durch den Überzug eine Verzunderung des Grundmaterials und durch eine zusätzliche Schmierwirkung übermäßiger Werkzeugverschleiß wirksam vermieden werden.
  • Bekannte warmumformbare Stähle für diesen Einsatzbereich sind z. B. der Mangan-Bor-Stahl "22MnB5" und neuerdings auch luftvergütbare Stähle gemäß der DE 10 2010 024 664 A1 .
  • Um Bauteile mit sehr hohen Festigkeiten von mehr als 980 MPa bei noch ausreichend hoher Zähigkeit zu erreichen, ist es aus der EP 2 546 375 A1 bekannt, einen Stahl mit einem im Ausgangszustand ferritischen Gefüge mittels Pressformhärtung entsprechend umzuformen und durch eine stufenförmige Prozessführung ein Gefüge aus Bainit, angelassenem Martensit und Restaustenit am fertigen Bauteil einzustellen. Hierbei wird das umzuformende Blech zunächst auf eine Temperatur von 750 bis 1000°C erwärmt und auf dieser Temperatur 5 bis 1000 Sekunden gehalten, anschließend bei 350 bis 900°C umgeformt und auf 50 bis 350°C abgekühlt. Schließlich erfolgt eine Wiedererwärmung auf eine Temperatur von 350 bis 490°C, die in einem Zeitraum von 5 bis 1000 Sekunden gehalten wird. Das Gefüge am fertigen Bauteil besteht dabei aus 10 bis 85% Martensit, 5 bis 40% Restaustenit und mindestens 5% Bainit.
  • Die Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen mittels Presshärtung weist jedoch mehrere Nachteile auf.
  • Zum Einen benötigt dieses Verfahren durch die Aufheizung des Vorproduktes auf Austenitisierungstemperatur sowie bei der Umwandlung von Ferrit in Austenit sehr viel Energie, was das Verfahren teuer macht und erhebliche Mengen CO2 produziert.
  • Außerdem ist zur Vermeidung einer übermäßigen Verzunderung der Blechoberfläche wie oben beschrieben eine zusätzliche metallische Schutzschicht oder eine Schutzschicht auf Lackbasis erforderlich oder eine erhebliche Nacharbeit der durch Erwärmung und Umformung verzunderten Oberfläche.
  • Da die Umformung bei Temperaturen oberhalb der Ac3-Temperatur in der Regel deutlich oberhalb 800°C erfolgt, werden zudem extrem hohe Anforderungen bezüglich der Temperaturstabilität an diese Schichten gestellt.
  • Ein weiterer Nachteil ist auch, dass zur Erlangung entsprechender Bauteilfestigkeiten nach der Presshärtung nur umwandlungsfähige Stähle mit einer ausreichenden Umwandlungsträgheit eingesetzt werden können, die entsprechend teure Legierungszusätze für die zu erreichende Gefügestruktur und Härte nach der Umformung aufweisen müssen.
  • Zusammengefasst ist festzustellen, dass das bekannte Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Stahl durch Warmumformung oberhalb der Austenitisierungstemperatur aufgrund der erforderlichen großen Öfen verbunden mit langen Aufheizzeiten zu hohen Fertigungs- und Energiekosten und damit hohen Bauteilkosten führt.
  • Zur Verbesserung des Umformvermögens hochfester Stähle ist aus der DE 10 2004 028 236 B3 außerdem bekannt, Werkstücke anstatt durch Kaltumformung durch Warmumformung bei Temperaturen von 400 bis 700°C weiter zu einem Bauteil zu verarbeiten (Halbwarmumformung). Nachteilig ist hierbei, dass das umgeformte Bauteil im Gegensatz zu pressgehärteten Bauteilen durch die Erwärmung unterhalb der Umwandlungstemperatur eine Erweichung erfährt, die Festigkeit gegenüber dem Ausgangszustand also verringert wird.
  • Aus der DE 10 2011 108 162 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Halbwarmumformen eines Vorproduktes aus Stahl unterhalb der Ac1-Umwandlungstemperatur bekannt, bei dem eine Festigkeitssteigerung im Bauteil durch eine Kaltumformung des Vorproduktes vor der Erwärmung auf Umformtemperatur erreicht wird. Wahlweise kann eine zusätzliche Festigkeitssteigerung im Bauteil durch Verwendung höherfester Werkstoffe, wie bainitische, martensitische, mikrolegierte und Dual- oder Mehrphasenstähle erreicht werden. Nachteilig ist hierbei der zusätzliche Aufwand durch die notwendige Kaltumformung vor der Erwärmung auf Umformtemperatur. Dualphasenstähle weisen bei der Warmumformung zudem den Nachteil einer Empfindlichkeit gegen kantenrissinduziertes Versagen während der Umformung auf.
  • Hinweise auf konkret einzuhaltende Legierungszusammensetzungen oder Vorgaben für das Gefüge des Vorproduktes zur gezielten Einstellung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils nach der Halbwarmumformung bei Einsatz höherfester Stähle werden nicht offenbart.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformung eines Vorproduktes aus Stahl bei Temperaturen unterhalb des Ac1-Umwandlungspunktes anzugeben, welches kostengünstig ist und mit dem vergleichbare oder verbesserte Eigenschaften des umgeformten Bauteils wie beim bekannten Warmumformen durch Presshärten erreicht werden. Insbesondere sollen Festigkeiten von mehr als 800 MPa bei Streckgrenzen von über 700 MPa und Bruchdehnungen A80 von mehr als 8% am fertigen Bauteil bei einem duktilen Versagensverhalten des Bauteils erreicht werden.
  • Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen eines Vorproduktes aus Stahl gelöst, bei dem das Vorprodukt auf Umformtemperatur erwärmt und anschließend umgeformt wird, wobei das Bauteil nach der Umformung eine bainitische Gefügestruktur mit einer Mindestzugfestigkeit von 800 MPa aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Ac1-Umwandlungstemperatur erfolgt, wobei schon das Vorprodukt aus einem
  • Stahl mit einem Gefüge aus mindestens 70% Bainit besteht, und wobei das Vorprodukt folgende Legierungszusammensetzung in Gew.% aufweist:
    • C: 0,02 bis 0,3
    • Si: 0,01 bis 0,5
    • Mn: 1,0 bis 3,0
    • P: max. 0,02
    • S: max. 0,01
    • N: max. 0,01
    • Al: bis 0,1
    • Cu: bis 0,2
    • Cr: bis 3,0
    • Ni: bis 0,2
    • Mo: bis 0,2
    • Ti: bis 0,2
    • V: bis 0,2
    • Nb: bis 0,1
    • B: bis 0,01
  • Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem aus der DE 601 19 826 T2 oder der EP 2 546 375 A1 bekannten Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Presshärtung den Vorteil auf, dass bei deutlich geringerem Energiebedarf für die Erwärmung durch den Einsatz eines schon im Ausgangszustand bainitischen Stahls ein Bauteil mit mechanischen Kennwerten bereitgestellt wird, die gleich oder sogar besser sind, als die mechanischen Eigenschaften im Ausgangszustand des Vorproduktes. Dadurch werden Energiekosten eingespart.
  • Gegenüber der DE 10 2011 108 162 A1 kann mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung und einem Vorprodukt, welches im Ausgangszustand schon ein Gefüge mit mindestens 50% Bainit aufweist, auf den zusätzlichen Schritt einer Kaltverformung des Vorproduktes zur Festigkeitssteigerung verzichtet und die geforderten mechanischen Eigenschaften des Bauteils nach der Halbwarmumformung gezielt eingestellt werden.
  • Die Verwendung eines schon am Vorprodukt erzeugten bainitischen Stahls mit der angegebenen Legierungszusammensetzung ist von großem Vorteil, da schon der Ausgangswerkstoff eine hohe Zugfestigkeit und Dehnung aufweist, die auch nach der (umwandlungsfreien) Umformung erhalten bleiben oder sogar höher sind.
  • Der für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzte bainitische Stahl erhält sein Gefüge erfindungsgemäß über eine entsprechende Temperaturführung schon beim Herstellungsprozess des Vorproduktes. Bei Warmband kann die Gefügeeinstellung z. B. über thermomechanisches Walzen, bei Kaltband z. B. durch den Glühprozess nach dem Kaltwalzen oder bei der Feuerverzinkung erfolgen.
  • Eine wie bei anderen höherfesten Stählen bekannte "Erweichung" nach der Umformung konnte bei diesem bainitischen Stahl nicht beobachtet werden. Eine "Erweichung" geht oftmals einher mit einer Gefügeumwandlung und ist somit zeit- und temperaturkritisch. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Vorproduktes aus mehrheitlich bainitischem Stahl ist dagegen weitgehend unempfindlich, so dass z. B. beabsichtigte oder unbeabsichtigte Zeitund Temperaturänderungen bei Erwärmung und Umformung keine Verschlechterungen der mechanischen Eigenschaften bewirken. Durch dieses vorteilhafte Werkstoffverhalten können auch anspruchsvolle mehrstufige Prozessschritte reproduzierbar durchgeführt werden.
  • Der besondere Vorteil der Verwendung dieses Legierungskonzeptes und der bainitischen Gefügestruktur besteht weiterhin in einer sehr feinen und homogenen Gefügestruktur mit mindestens 70% Bainit und nur geringen Anteilen an Ferrit, Restaustenit und Martensit. Notwendig zur Erreichung der geforderten mechanischen Eigenschaften ist es, dass das Gefüge mindestens 70% Bainit aufweist und die Anteile an Restaustenit + Martensit <10% sind und der Rest aus Ferrit besteht.
  • Besonders gleichmäßige und homogene Werkstoffeigenschaften können erreicht werden, wenn der bainitische Stahl des Vorproduktes folgende Legierungszusammensetzung in Gew. % aufweist:
    • C: 0,02 bis 0,11%
    • Si: 0,01 bis 0,5%
    • Mn: 1,0 bis 2,0%
    • P: max. 0,02%
    • S: max. 0,01%
    • N: max. 0,01%
    • Almin: 0,015 bis 0,1%
    • B: max. 0,004%
    • Nb+V+Ti: max. 0,2%
  • In einer weiter verbesserten Ausgestaltung der Erfindung weist der Stahl des Vorproduktes folgende Legierungszusammensetzung in Gew.% auf:
    • C: 0,05 bis 0,11%
    • Si: 0,1 bis 0,5%
    • Mn: 1,0 bis 2,0%
    • P: max. 0,02%
    • S: max. 0,01%
    • N: 0,003 bis 0,01%
    • Almin: 0,03 bis 0,1%
    • B: max. 0,004%
    • Mo: 0,04 bis 0,2
    • Ti: 0,04 bis 0,2
    • Nb+V+Ti: 0,1 bis 0,2%
  • Die Zugabe von Stickstoff von mindestens 0,003 bis 0,01 Gew.-% sorgt in Kombination mit Kohlenstoff und einem Mindestgehalt an Titan von 0,04 bis 0,2 Gew.-% durch die Bildung von Titancarbonitriden vorteilhaft für ein feinkörniges Gefüge mit hohen Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Durch die Zugabe von Molybdän in Gehalten von 0,04 bis 0,2 Gew.-% werden zudem die sich bildenden Ausscheidungen vorteilhaft sehr klein gehalten.
  • Vergleichsuntersuchungen wurden an Stählen mit den in Tabelle 1 abgegebenen Legierungszusammensetzungen durchgeführt. Die Ergebnisse für die mechanischen Eigenschaften vor und nach der Halbwarmumformung zeigt die Tabelle 2.
  • Untersucht wurden Bleche mit einer Dicke von 1,8 bis 2,25 mm die im Ofen bei einer Temperatur von 600°C für 3 Minuten aufgeheizt und im Anschluss zwischen zwei ebenen Werkzeugkomponenten in einer Umformpresse abgekühlt wurden.
  • Die untersuchten Werkstoffe sind in den Tabellen 1 und 2 mit den Buchstaben a, b, c, d, e und f bezeichnet. Die Legierungszusammensetzungen der Werkstoffe entsprechen der erfindungsgemäßen, wobei die Gefüge aber im Ausgangszustand unterschiedlich eingestellt waren. Stahl a wies im Ausgangszustand also vor der Erwärmung auf Umformtemperatur ein ferritisch-bainitisches Grundgefüge "FB", Stahl b ein bainitisches "B", Stahl c ein Mischgefüge aus Martensit, Bainit und Ferrit "MBF", wobei der Martensitanteil dominant ist. Die Stähle d und e wiesen ein ferritisches "F" und der Stahl f ein martensitisches Grundgefüge "M" auf. Bei den Stählen a und c lag der Bainitanteil im Gefüge unter 50% und bei Stahl b über 50%. Ersichtlich ist aus Tabelle 2, dass nur der Stahl b mit einem mehrheitlich bainitischen Ausgangsgefüge des Vorproduktes, die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften mit einer Mindestzugfestigkeit von 800 MPa und einer Mindestbruchdehnung A80 von mehr als 8% nach der Halbwarmumformung erfüllt.
  • Typische Anwendungen zur Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung am Bauteil sind der Mobilkranbau, Längs- und Querträger in Lastwagen und Anhängern, Sicherheits- und Fahrwerksteile im Pkw und der Waggonbau.
  • Der erfindungsgemäße Stahl oder das daraus hergestellte Bauteil zeichnet sich durch eine sehr hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit von über 800 MPa bei einer ausreichend hohen Dehnung aus. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung ist zudem eine gute Schweißbarkeit gegeben.
  • Der vorab genannte Stahl kann weiterhin in bekannter Weise mit einer zunder- bzw. korrosions-hemmenden Schicht auf Lackbasis oder mit einem metallischen Überzug versehen sein. Der metallische Überzug kann Zink und/oder Magnesium und/oder Aluminium und/oder Silizium enthalten.
  • Im Gegensatz zu gängigen Fertigungsrouten kann bereits oberflächenveredeltes Warm- oder Kaltband für die Umformung im Anschluss an eine Erwärmung eingesetzt werden, da die Haftung und die Duktilität eine Halbwarmumformung mit geringen Umformgraden erträgt. Der metallische Überzug ist gegen kurzzeitige Wiedererwärmungen der Kombination Substrat/Beschichtung (Stahlband/Beschichtung) unterhalb der Ac1-Temperatur des Substrats resistent, um die Wiedererwärmung vor der Halbwarmformung und der eigentlichen Halbwarmformung zu überstehen.
  • Aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmemenge kann auf großräumige Wiedererwärmungsaggregate, wie z. B. auf Tunnelöfen oder Kammeröfen, zugunsten schnell und direkt wirkender Systeme (induktiv, konduktiv und insbesondere Strahlung) verzichtet werden.
  • Außerdem kommt das beschriebene neue Verfahren mit erheblich weniger Wärmeenergie aus, bzw. der energetische Wirkungsgrad ist höher als beim Presshärten. Dadurch sind die Prozesskosten geringer und der CO2 Ausstoß wird reduziert.
  • Bevorzugt erfolgt die Wiedererwärmung vor dem Halbwarmformen mittels Strahlung, da hier der Wirkungsgrad deutlich höher ist als bei einer Erwärmung in einem Ofen oder bei konduktiver Erwärmung und der Energieeintrag in das Material je nach Oberflächenbeschaffenheit schneller und effektiver erfolgt.
  • Der Werkstoff ist auch sehr gut für eine partielle Erwärmung geeignet. Durch den Einsatz von z. B. Strahlern können gezielt einzelne Bereiche des umzuformenden Vorprodukts erwärmt werden, um umformbarkeitsoptimierte Zonen zu erhalten. Dies ermöglicht vorteilhaft die Nutzung von konventionellen Pressen zur Kaltumformung, so dass auf eine komplexe Warmumformanlage, wie sie beim Presshärten notwendig ist, verzichtet werden kann.
  • Für den Transport zwischen Wärmequelle und Umformwerkzeug kann es weiterhin sinnvoll sein, besonders im Falle von sehr dünnen Blechen (z. B. <0,8mm), eine Profilierung der Zuschnitte zur Erhöhung der lokalen Steifigkeit vorzusehen. Dies ist beim konventionellen Presshärten nicht möglich, da die zu erzielende Festigkeit eine schroffe Abkühlung erfordert, welche sich über Leibung im Werkzeug aufgrund der Profilierung ausschließt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Vorprodukt auf eine Temperatur von unterhalb 720°C vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 400 - 700°C erwärmt und anschließend zu einem Bauteil umgeformt. Die optimale Umformtemperatur ist abhängig von der geforderten Festigkeit des Bauteils und liegt bevorzugt etwa zwischen 500°C und 700°C. Lange Haltezeiten, um ein bainitisches Gefüge zu erhalten wie in der EP 2 546 375 A1 beschrieben, sind nicht erforderlich, so dass die Prozesszeit für die Herstellung des Bauteils deutlich verkürzt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Erwärmung des Vorproduktes auf Umformtemperatur eine lokale Überschreitung des Temperaturbereichs des Halbwarmformens in den Austenitisierungsbereich vorgenommen, um gezielt lokale Eigenschaftsänderungen vorzunehmen (z. B. lokale Härtung), die in Kombination mit der Festigkeitssteigerung des restlichen Materials den späteren Beanspruchungen des Bauteils angepasst sind. Tab. 1
    Werkstoff C Si Mn P S N Al Cu Cr Ni V Ti Nb Mo B
    FB a 0,07 0,08 1,4 0,01 0,002 0,005 0,041 0,03 0,04 0,04 0,05 - 0,04 - -
    B b 0,08 0,47 1,9 0,01 0,001 0,006 0,066 0,03 0,03 0,04 0,01 0,12 0,05 0,14 -
    MBF C 0,23 0,25 1,2 0,01 0,002 0,005 0,038 0,04 0,16 0,04 0,01 0,03 - - 0,003
    F d 0,10 0,28 2,0 0,01 0,001 0,006 0,041 0,02 0,33 0,04 0,01 0,04 0,04 - 0,003
    M f 0,15 0,12 1,7 0,01 0,001 0,005 0,045 0,02 0,33 0,04 0,01 0,02 - - -
    F e 0,09 0,25 1,8 0,01 0,001 0,005 0,041 0,03 0,33 0,04 0,01 - 0,01 - -
    Tabelle 2
    Werkstoff Zugfestigkeit Rm[MPa] Streckgrenze Rp0,2[MPa] Bruchdehnung A80[%]
    vor HWU nach HWU vor HWU nach HWU vor HWU nach HWU
    FB a 591 632 552 589 19 16
    B b 788 854 678 833 14 12
    MBF C 982 979 915 922 7 7
    F d 855 778 644 767 13 12
    M f 1343 1246 1047 1173 6 1
    F e 676 650 407 498 22 18

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen eines Vorproduktes aus Stahl bei dem das Vorprodukt auf Umformtemperatur erwärmt und anschließend umgeformt wird, wobei das Bauteil nach der Umformung eine bainitische Gefügestruktur mit einer Mindestzugfestigkeit von 800 MPa aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Ac1-Umwandlungstemperatur erfolgt, wobei schon das Vorprodukt aus einem Stahl mit einem Gefüge aus mindestens 70% Bainit besteht und die Anteile an Restaustenit + Martensit <10% sind und der Rest aus Ferrit besteht., und wobei das Vorprodukt folgende Legierungszusammensetzung in Gew.% aufweist:
    C: 0,02 bis 0,3
    Si: 0,01 bis 0,5
    Mn: 1,0 bis 3,0
    P: max. 0,02
    S: max. 0,01
    N: max. 0,01
    Al: bis 0,1
    Cu: bis 0,2
    Cr: bis 3,0
    Ni: bis 0,2
    Mo: bis 0,2
    Ti: bis 0,2
    V: bis 0,2
    Nb: bis 0,1
    B: bis 0,01
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl eine Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.% aufweist:
    C: 0,02 bis 0,11%
    Si: 0,01 bis 0,5%
    Mn: 1,0 bis 2%
    P: max. 0,02%
    S: max. 0,01%
    Al: 0,015 bis 0,1%
    B: max. 0,004%
    Nb+V+Ti: max.0,2%
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl eine Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.% aufweist:
    C: 0,05 bis 0,11%
    Si: 0,1 bis 0,5%
    Mn: 1,0 bis 2,0%
    P: max. 0,02%
    S: max. 0,01%
    N: 0,003 bis 0,01%
    Almin: 0,03 bis 0,1 %
    B: max. 0,004%
    Mo: 0,04 bis 0,2
    Ti: 0,04 bis 0,2
    Nb+V+Ti: 0,1 bis 0,2%
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung des Vorproduktes auf Warmumformtemperatur nur partiell und die partielle Erwärmung wahlweise oberhalb der Ac1-Umwandlungstemperatur erfolgt.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung des Vorproduktes auf eine Temperatur von unterhalb 720°C erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung des Vorproduktes in einem Temperaturbereich von 400 bis 700°C erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung des Vorproduktes in einem Temperaturbereich von 500 bis 700°C erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Vorprodukt vor der Erwärmung mit einem metallischen oder lackartigen Überzug versehen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der metallische Überzug Zn und/oder Mg und/oder Al und/oder Si enthält.
  10. Verfahren nach mindestens einem der Anspruch 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung auf Umformtemperatur induktiv, konduktiv oder mittels Strahlung erfolgt.
  11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Vorprodukt eine Blechplatine oder ein Rohr verwendet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Blechplatine aus Warmband oder Kaltband besteht.
  13. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Rohr ein nahtlos warmgewalztes oder ein aus Warm- oder Kaltband hergestelltes geschweißtes Rohr ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Rohr ein nahtlos warmgewalztes oder ein aus Warm- oder Kaltband hergestelltes geschweißtes Rohr ist, dass nochmals einem oder mehrfachen Zieh- und/oder Glühprozessen unterzogen worden ist..
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