EP3303641B1 - Verfahren zur warmumformung eines stahlbauteils - Google Patents

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EP3303641B1
EP3303641B1 EP16718628.7A EP16718628A EP3303641B1 EP 3303641 B1 EP3303641 B1 EP 3303641B1 EP 16718628 A EP16718628 A EP 16718628A EP 3303641 B1 EP3303641 B1 EP 3303641B1
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EP
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layer
steel component
treatment step
heat treatment
oxidation
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Matthias Graul
Haucke-Frederik Hartmann
Jan Lass
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Original Assignee
Volkswagen AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for hot forming a steel component according to the preamble of claim 1.
  • hot-formed steel components can be used, for example for a B-pillar, a tunnel reinforcement or a side member.
  • a steel plate is heated in a furnace up to the area of complete austenitization (at around 920 ° C).
  • the steel plate is placed in a forming tool (for example a deep-drawing press) and quench hardened during pressing.
  • a forming tool for example a deep-drawing press
  • Drill-alloyed steels with, for example, 0.24% carbon are usually used, the conversion behavior being controllable via the alloy (in particular boron) and the achievable strength via the carbon content.
  • the furnace temperature is in the range of 900 to 940 ° C, while the furnace residence time is approx. 4 to 10 minutes.
  • a conventional zinc coating cannot be used in the prior art - instead of the aluminum-silicon coating mentioned above. Such a zinc coating would drip or burn at the above furnace temperatures.
  • the aluminum-silicon coating which acts as a scale protection layer, has the following disadvantages: the aluminum-silicon coating results in a rough, hard layer Surface structure of the steel component, which leads to severe tool wear during press hardening. In addition, there is a strongly laminar layer structure with widely varying layer properties and an overall only low layer adhesion to the base material, which is of the order of 20 N / mm 2 . In addition, the aluminum-silicon coating leads to a high tendency to edge corrosion of the steel component and to a reduction in the cap service life during resistance welding. The aluminum-silicon coating also affects the quality of the welded joint: aluminum and silicon do not evaporate during the welding process, but solidify in the weld seam, which can lead to weak points. In addition, the AlSi coating is susceptible to flaking or damage during and after hot forming. Due to the lack of a long-distance effect compared to a zinc coating, a corrosion attack is more likely.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a hot-formed steel component, in which the hot-forming can be carried out in a simple manner more reliably and more efficiently than in the prior art.
  • the invention is based on the problem that the conventional hot forming process is accompanied by heavy wear on the forming tool, specifically because of the rough, hard metal surface of the steel component.
  • a further pretreatment step is carried out, in which a surface oxidation takes place.
  • an inert, corrosion-resistant oxidation layer is formed on the scale protection layer, by means of which abrasive tool wear can be reduced in the subsequent forming step.
  • the surface oxidation is carried out simply by pickling passivation.
  • pickling passivation the steel component is treated with a pickling solution in a pickling bath and then air-dried, for example, at room temperature.
  • the pickling solution is the aqueous solution of phosphoric acid.
  • the roughness of the metal surface of the steel component is reduced by means of the additional oxidation layer, which reduces the abrasive tool wear in the forming step.
  • premature wear of any component carriers that transfer the steel component through the heat treatment furnace can be prevented: in the state of the art, furnace transfer involves diffusion processes between the AlSi layer of the steel component and the component carrier (especially when using ceramic rollers ) instead, which leads to premature failure of the ceramic rollers. Diffusion processes of this type are significantly reduced by means of the additional oxidation layer according to the invention.
  • the furnace throughput time can be reduced since, according to the invention, the alloying process between the AlSi layer and the base material of the steel component does not have to be completely completed in order to protect the component carrier rollers. By better shielding the substrate, longer permissible furnace throughput times can be tolerated.
  • a third pretreatment step is carried out before the heat treatment step is carried out.
  • a top layer of high melting temperature is applied in an immersion bath.
  • the top layer is a titanium-zirconium layer or a titanium oxide layer that covers the corrosion-resistant oxidation layer.
  • this additional cover layer prevents the layers underneath, that is to say in particular the scale protection layer, from melting. Appropriate alloying of this top layer enables the flow behavior to be overcome.
  • the scale protection layer can, in current practice, be an aluminum-silicon layer, which is applied to the steel component, for example, in a hot-dip coating process or coil coating process.
  • the scale protection layer can also be a zinc or zinc-iron coating, which can preferably be applied to the steel component in a hot-dip coating process.
  • This has a melting temperature that is lower than the heat treatment temperature (approx. 920 ° C) in the heat treatment furnace, as a result of which zinc can melt and flow away from the steel component.
  • the zinc or zinc-iron coating is covered with the above-mentioned cover layer made of metal oxide or a titanium-zirconium alloy, the Melting temperatures are greater than the heat treatment temperature in the furnace. This prevents the zinc / zinc-iron layer from melting during the heat treatment.
  • the starting material or the substrate of the steel component can be a manganese-boron alloyed tempering steel, for example 20MnB5, 22MnB5, 27MnB5, 30MnB5.
  • the total layer thickness of the layer structure consisting of the scale protection layer and the corrosion-resistant oxidation layer and optionally the additional cover layer can be less than 20 ⁇ m or greater than 33 ⁇ m.
  • the oxidation layer or the top layer can preferably have a melting temperature greater than 2000 ° C., a bending strength greater than 300 MPa, a compressive strength greater than 2000 MPa and a Vickers hardness greater than 1600 HV1.
  • a metal surface with locally different surface properties can be adjustable during the passage through the pickling passivation (pickling system).
  • pickling passivation pickling system
  • the invention also improves weldability and reduces cap wear on WPS caps.
  • the energy input during laser cutting and welding is improved due to the higher degree of absorption of the steel component.
  • the additional corrosion-resistant oxidation layer also forms an effective hydrogen diffusion barrier.
  • there is an improvement in the possibilities for inline quality assurance by means of thermographic processes by increasing the emissivity (matt surface) and an improvement in the stone chip resistance in the corrosion areas.
  • the surface oxidation according to the invention in the second pretreatment step can take place over the entire surface and on one or both sides of the sheet steel part.
  • the surface oxidation can also be carried out partially, to be precise with the formation of at least one surface section without an oxidation layer and a second surface section with an oxidation layer.
  • These surface sections thus have different surface roughness, which in the forming step (that is to say in the deep-drawing press) form different static friction coefficients with the forming tool surface in contact. In this way, the material flow can be controlled during hot forming.
  • the steel component in the heat treatment step, can be heated to a target temperature of at least 945 ° C., in particular using a heating holding point in the range of 600 ° C.
  • the heat treatment can preferably be carried out in a time interval between approximately 100 seconds to a maximum of 4000 seconds. With alternative heating routes (induction, conduction), these values can deviate significantly downwards.
  • the steel component is preferably a steel sheet with a material thickness in the range from 0.4 to 4 mm, in particular in the range from 0.5 to 2.50 mm.
  • the oxidation layer according to the invention is at least present, ideally also during and after the furnace pass.
  • a transfer is carried out into one or more forming tools or tempering tools for forming or tempering.
  • cooling is preferably carried out to a final temperature of less than 600 ° C, in particular to a final temperature of less than 400 ° C.
  • a layer system of at least five different layers results on the steel component.
  • the oxidation layer effectively prevents contact between the surface of the forming tool and the layers underneath (that is, for example, the scale protection layer).
  • Al-Fe-Si phases are formed under the oxidation layer according to the invention, an Al-Fe phase being formed in particular between these phases and the component base material.
  • a thin ferritic layer can be formed on the outermost layer of the base material (that is, the substrate), which in particular has a layer thickness of less than 100 ⁇ m.
  • the steel component can also contain macroscopically different structures.
  • the steel component can be designed as a tailored rolled blank, a tailored welded blank or a patch blank.
  • the structure can have residual austenitic components.
  • the steel components produced according to the invention can be used in different industries, for example in a vehicle, in particular a land vehicle, a passenger car or a truck. Use as a security profile in armored vehicles is possible according to the invention.
  • a coating system formed by diffusion processes in the furnace of a finished steel component 1 after hot forming is shown by way of example.
  • the base material (substrate) 3 of the steel component 1 is 22MnB5, for example.
  • a diffusion zone 5 is formed directly on the base material 3, on which further alloy layers follow, namely an iron-aluminum-silicon zone 7, an iron-aluminum zone 9, an iron-aluminum-silicon-manganese zone 11, an iron-aluminum zone 13 and an aluminum oxide zone 15, an oxidation layer 17 and a titanium oxide layer as the cover layer 19 are formed.
  • the Indian Fig. 1 Laminar structure identified by reference number 2 corresponds to a coating system as is known from the prior art.
  • the laminar structure with the oxidation layer 17 and covered with the cover layer 19. reduce, among other things, the roughness of the metal surface of the steel component 1, which reduces the abrasive tool wear in the forming step and during the furnace transfer.
  • Pretreatment I shows, among other things, that in the Fig. 2 shown process steps Ia, Ib and Ic.
  • a hot-dip coating takes place, in which the aluminum-silicon layer 15 is applied to the steel component base material 3. This serves as a scale protection layer during the heat treatment.
  • pickling passivation takes place, in which the steel component 1 is treated with a pickling solution in a pickling bath and then air-dried at room temperature.
  • the pickling solution can be, for example, an aqueous solution of an acid, a base or a pH value - neutral, for example phosphoric acid, by means of which the inert and corrosion-resistant oxidation layer 17 is formed on the aluminum-silicon layer 15.
  • a further hot dip coating is then carried out in a third process step Ic, in which the titanium oxide layer 19 is applied as the top layer.
  • Fig. 3 the steel component 1 is shown after process step la has taken place, that is to say with the AlSi layer 15
  • Fig. 4 is shown the steel component 1 after the process step Ib (that is after the pickling passivation) with the additional oxidation layer 17, while in the Fig. 5 the steel component 1 is shown after the process step Ic, with the additional cover layer 19.
  • the steel component 1 is transferred to a heat treatment furnace in which the heat treatment II is carried out.
  • the steel component 1 is heated to a target temperature of, for example, at least 945 ° C., specifically for a predefined process duration that can be in the range of, for example, 100 to a maximum of 4000 seconds.
  • a target temperature of, for example, at least 945 ° C.
  • a predefined process duration that can be in the range of, for example, 100 to a maximum of 4000 seconds.
  • Fig. 6 Coating system shown on the surface of the steel component 1.
  • the steel component 1, which is still in the hot state, is then subjected to hot forming III, in which the steel component 1 is both hot-formed and quench hardened.
  • the scale protection layer 15 is an Al-Si layer.
  • the scale protection layer 15 can also be a zinc or zinc-iron coating.
  • This can preferably be applied to the steel component 1 in a hot dip coating process.
  • FIG. 7 A steel component 1 according to a second exemplary embodiment is shown, the coating system of which is essentially identical to that in FIG Fig. 1 coating system shown.
  • the cover layer 19 is omitted, so that the oxidation layer 17 is exposed to the outside.
  • FIG. 8 Another steel component 1 is shown, in which the oxidation layer 17 is also exposed to the outside.
  • the surface of the steel component 1 is in the Fig. 8 divided into a surface section 21 without an oxidation layer 17 and a surface section 23 with an oxidation layer 17.
  • the two surface sections 21, 23 have different surface roughnesses, which in the following forming step III form different static friction coefficients to the forming tool surface, whereby the material flow can be controlled during the hot forming.
  • Such different surface sections 21, 23 can be set, for example, by masking the steel component 1 during the passage through the pickling passivation (pickling system).

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Im Fahrzeug-Karosseriebau können insbesondere im Bereich der Fahrgastzelle hoch- oder höchstfeste, warmumgeformte Stahl-Bauteile eingesetzt werden, zum Beispiel für eine B-Säule, eine Tunnelverstärkung oder einen Längsträger. Bei der Warmumformung wird eine Stahl-Platine in einem Ofen bis in den Bereich vollständiger Austenitisierung (bei etwa 920°C) erwärmt. Die Stahl-Platine wird im Heißzustand in ein Umformwerkzeug (zum Beispiel eine Tiefziehpresse) eingelegt und beim Verpressen abschreckgehärtet. Auf diese Weise wird das relativ weiche, ferritisch-perlitische Ausgangsgefüge des Stahl-Bauteils in ein hartes Martensit-Gefüge mit werkstoffabhängigen Festigkeiten im Bereich von über 1000 MPa umgewandelt. Eingesetzt werden üblicherweise bohrlegierte Stähle mit zum Beispiel 0,24% Kohlenstoff, wobei das Umwandlungsverhalten über die Legierung (insbesondere Bor) und die erzielbare Festigkeit über den Kohlenstoffgehalt steuerbar ist.
  • Aus der EP 2 242 863 B1 ist ein Verfahren zur Warmumformung eines solchen Stahlbauteils bekannt. Das Stahlbauteil wird vor der Durchführung des Wärmebehandlungsschrittes im Ofen einem prozesstechnisch vorgelagerten Vorbehandlungsschritt unterworfen, in dem auf der Metalloberfläche des Stahlbauteils eine Zunderschutzschicht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung gebildet wird. Diese wird in einem Schmelztauchverfahren auf das Stahlbauteil appliziert.
  • Während der Wärmebehandlung liegt die Ofentemperatur in einem Bereich von 900 bis 940°C, während die Ofenverweildauer bei ca. 4 bis 10 Minuten liegt. Aus diesem Grunde ist im Stand der Technik - anstelle der oben erwähnten Aluminium-Silizium-Beschichtung - eine klassische Zinkbeschichtung nicht einsetzbar. Eine solche Zinkbeschichtung würde bei den obigen Ofentemperaturen abtropfen oder verbrennen.
  • Die als Zunderschutzschicht wirkende Aluminium-Silizium-Beschichtung weist die folgenden Nachteile auf: So ergibt sich durch die Aluminium-Silizium-Beschichtung eine raue harte Oberflächenstruktur des Stahlbauteils, was beim Presshärten zu einem starken Werkzeugverschleiß führt. Zudem ergibt sich ein stark laminar ausgeprägter Schichtaufbau mit stark variierenden Schichteigenschaften sowie eine insgesamt nur geringe Schichthaftung auf dem Grundwerkstoff, die in einer Größenordnung von 20 N/mm2 liegt. Außerdem führt die Aluminium-Silizium-Beschichtung zu einer hohen Kantenkorrosions-Neigung des Stahlbauteils sowie zu einer Reduzierung der Kappen-Standzeiten beim Widerstandsschweißen. Die Aluminium-Silizium-Beschichtung beeinträchtigt ferner die Qualität der Schweißverbindung: Aluminium und Silizium verdampfen nämlich beim Schweißvorgang nicht, sondern erstarren in der Schweißnaht, wodurch es dort zu Schwachstellen kommen kann. Zudem ist die AlSi-Beschichtung während und nach der Warmumformung anfällig für Abplatzer oder Beschädigungen. Aufgrund der fehlenden Fernwirkung gegenüber eine Zinkbeschichtung ist ein Korrosionsangriff eher zu erwarten.
  • Aus der EP 1 439 240 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils bekannt. Aus der EP 2 848 709 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem metallischen, vor Korsion schützenden Überzug versehenen Stahlbauteils bekannt. Aus der Druckschrift "M. Windmann, A. Röttger, W. Theisen: Formation of intermetallic phases in Alcoated hot-stamped 22MnB5 sheets in terms of coating thickness and Si content. In: Surface and Coating Technology, 246, 2014, 17-25." sind Al-Si-Zunderschutzschichten aus Stahlteilen bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten Stahlbauteils bereitzustellen, bei dem die Warmumformung in einfacher Weise prozesssicherer und effizienter als im Stand der Technik durchführbar ist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
  • Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass der herkömmliche Warmumformprozess mit einem starken Umformwerkzeug-Verschleiß einhergeht, und zwar aufgrund der rauen, harten Metalloberfläche des Stahlbauteils. Vor diesem Hintergrund wird erfindungsgemäß nach der Auftragung der Zunderschutzschicht ein weiterer Vorbehandlungsschritt durchgeführt, in dem eine Oberflächenoxidation erfolgt. Dadurch wird auf der Zunderschutzschicht eine reaktionsträge, korrosionsfeste Oxidationsschicht gebildet, mittels der ein abrasiver Werkzeugverschleiß im nachgelagerten Umformschritt reduzierbar ist.
  • Die Oberflächenoxidation erfolgt prozesstechnisch einfach durch eine Beizpassivierung. Zur Beizpassivierung wird das Stahlbauteil in einem Beizbad mit einer Beizlösung behandelt und anschließend zum Beispiel bei einer Raumtemperatur luftgetrocknet. Die Beizlösung ist die wässrige Lösung von Phosphorsäure.
  • Mittels der zusätzlichen Oxidationsschicht wird die Rauigkeit der Metalloberfläche des Stahlbauteils reduziert, wodurch sich der abrasive Werkzeugverschleiß im Umformschritt reduziert. Zudem kann ein frühzeitiger Verschleiß eventuell vorhandener Bauteil-Träger verhindert werden, die das Stahlbauteil durch den Wärmebehandlungsofen transferieren: Beim Ofen-Transfer finden im Stand der Technik nämlich Diffusionsprozesse zwischen der AlSi-Schicht des Stahlbauteils und dem Bauteil-Träger (insbesondere bei Einsatz von Keramikrollen) statt, was zu einem frühzeitigen Ausfall der Keramikrollen führt. Derartige Diffusionsprozesse sind mittels der erfindungsgemäßen zusätzlichen Oxidationsschicht signifikant reduziert. Zudem kann die Ofendurchlaufzeit reduziert werden, da erfindungsgemäß der Legierungsprozess zwischen der AlSi-Schicht mit dem Grundwerkstoff des Stahlbauteils zum Schutz der Bauteil-Trägerrollen nicht vollständig abgeschlossen sein muss. Durch eine bessere Abschirmung des Subtrats können längere zulässige Ofendurchlaufzeiten toleriert werden.
  • Zur weiteren Reduzierung der Oberflächen-Rauigkeit des Stahlbauteils erfolgt vor der Durchführung des Wärmebehandlungsschrittes ein dritter Vorbehandlungsschritt. Im dritten Vorbehandlungsschritt wird in einem Tauchbad eine Deckschicht hoher Schmelztemperatur appliziert. Die Deckschicht ist eine Titan-Zirkonium-Schicht oder eine Titanoxidschicht, die die korrosionsfeste Oxidationsschicht überdeckt. Mittels dieser zusätzlichen Deckschicht wird im nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt ein Aufschmelzen der darunterliegenden Schichten, das heißt insbesondere der Zunderschutzschicht, verhindert. Durch geeignete Legierung dieser Deckschicht können Herausforderungen des Fließverhaltens bewältigt werden.
  • Wie oben erwähnt, kann die Zunderschutzschicht in gängiger Praxis eine Aluminium-Silizium-Schicht sein, die beispielsweise in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess oder Coil-Coating-Prozess auf das Stahlbauteil appliziert wird. Alternativ dazu kann die Zunderschutzschicht auch eine Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung sein, die bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess auf das Stahlbauteil applizierbar ist. Diese weist eine Schmelztemperatur auf, die kleiner ist als die Wärmebehandlungstemperatur (ca. 920°C) im Wärmebehandlungsofen, wodurch Zink schmelzen und vom Stahlbauteil abfließen kann. Um dies zu vermeiden, ist die Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung mit der oben erwähnten Deckschicht aus Metalloxid oder aus einer Titan-Zirkonium-Legierung überdeckt, deren Schmelztemperaturen größer als die Wärmebehandlungstemperatur im Ofen ist. Dadurch wird während der Wärmebehandlung ein Aufschmelzen der Zink-/Zink-Eisen-Schicht verhindert.
  • Der Ausgangswerkstoff oder das Substrat des Stahlbauteils kann ein Mangan-Bor-legierter Vergütungsstahl sein, zum Beispiel 20MnB5, 22MnB5, 27MnB5, 30MnB5. Die Gesamtschichtdicke des aus der Zunderschutzschicht und der korrosionsfesten Oxidationsschicht sowie gegebenenfalls der zusätzlichen Deckschicht bestehenden Schichtaufbaus kann kleiner als 20 µm sein oder größer als 33 µm sein. Die Oxidationsschicht oder die Deckschicht kann bevorzugt eine Schmelztemperatur größer als 2000°C, eine Biegefestigkeit größer als 300 MPa, eine Druckfestigkeit größer als 2000 MPa sowie eine Vickershärte größer 1600 HV1 aufweisen.
  • Über eine Maskierung des Stahlbauteils kann beim Durchlauf durch die Beizpassivierung (Beizanlage) eine Metalloberfläche mit lokal unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften einstellbar sein. Zudem besteht die Möglichkeit, durch gezielte Freiformbeschichtung (das heißt Oxidation) der Coils oder Platinen maßgeschneiderte Eigenschaften zu erzielen. Außerdem verbessert sich mit der Erfindung die Schweißbarkeit und reduziert sich der Kappenverschleiß bei WPS-Kappen. Zudem verbessert sich die Energieeinkopplung beim Laserschneiden und -schweißen, und zwar aufgrund eines höheren Absorptionsgrads des Stahlbauteils. Die zusätzliche korrosionsfeste Oxidationsschicht bildet zudem eine wirksame Wasserstoff-Diffusionsbarriere. Außerdem ergibt sich eine Verbesserung der Möglichkeiten zur Inline-Qualitätssicherung mittels thermographischer Verfahren durch Erhöhung des Emissionsgrads (mattere Oberfläche) sowie eine Verbesserung der Steinschlagfestigkeit in den Korrosionsbereichen.
  • Die erfindungsgemäße Oberflächenoxidation im zweiten Vorbehandlungsschritt kann in einer Ausführungsform vollflächig sowie ein- oder beidseitig des Stahlblechteils erfolgen. Alternativ dazu kann die Oberflächenoxidation auch partiell erfolgen, und zwar unter Bildung zumindest eines Flächenabschnittes ohne Oxidationsschicht sowie eines zweiten Flächenabschnittes mit Oxidationsschicht. Diese Flächenabschnitte weisen somit unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten auf, die im Umformschritt (das heißt in der Tiefziehpresse) unterschiedliche Haft-Reibkoeffizienten mit der in Kontakt befindlichen Umform-Werkzeugfläche bilden. Auf diese Weise kann während der Warmumformung der Werkstofffluss gesteuert werden.
  • Nachfolgend sind weitere Erfindungsaspekte sowie Vorteile der Erfindung beschrieben: So kann im Wärmebehandlungsschritt das Aufheizen des Stahlbauteils auf eine Zieltemperatur von mindestens 945°C erfolgen, und zwar insbesondere unter Verwendung eines Aufheizhaltepunktes im Bereich von 600°C. Die Wärmebehandlung kann bevorzugt in einem Zeitintervall zwischen etwa 100 sec. bis maximal 4000 sec. erfolgen. Bei alternativen Aufheizrouten (Induktion, Konduktion) kann von diesen Werten deutlich nach unten abgewichen werden. Bevorzugt ist das Stahlbauteil ein Stahlblech mit einer Materialdicke im Bereich von 0,4 bis 4 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 2,50 mm. Die erfindungsgemäße Oxidationsschicht liegt dabei mindestens vor, idealerweise auch während sowie nach dem Ofendurchlauf vor. Nach der Wärmebehandlung erfolgt in gängiger Praxis ein Transfer in ein oder mehrere Umformwerkzeuge oder Vergütungswerkzeuge zur Umformung oder zur Vergütung. Im Umformwerkzeug erfolgt die Abkühlung bevorzugt auf eine Endtemperatur von unter 600°C, insbesondere auf eine Endtemperatur von unter 400°C.
  • Mit den insgesamt drei Vorbehandlungsschritten ergibt sich ein Schichtsystem auf dem Stahlbauteil von insgesamt mindestens fünf unterschiedlichen Schichten. Die Oxidationsschicht verhindert dabei wirkungsvoll den Kontakt zwischen der Umformwerkzeug-Oberfläche und den darunterliegenden Schichten (das heißt zum Beispiel der Zunderschutzschicht). Beispielhaft sind unter der erfindungsgemäßen Oxidationsschicht AI-Fe-Si-Phasen ausgebildet, wobei sich insbesondere zwischen diesen Phasen und dem Bauteil-Grundwerkstoff eine Al-Fe-Phase ausbildet.
  • Zudem kann sich an der äußersten Schicht des Grundwerkstoffes (das heißt des Substrats), eine dünne ferritische Schicht ausbilden, die insbesondere eine Schichtdicke von weniger als 100 µm aufweist. Das Stahlbauteil kann ferner makroskopisch unterschiedliche Gefüge enthalten.
  • Durch Anwendung gängiger Prozesstechnologien können im Stahlbauteil lokal unterschiedliche Festigkeiten erzielt werden. Beispielhaft kann das Stahlbauteil als ein Tailored-Rolled-Blank, ein Tailored-Welded-Blank oder ein Patch-Blank ausgeführt sein. Außerdem kann das Gefüge restaustenitisiche Bestandteile aufweisen.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Stahlbauteile können in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden, und zwar beispielhaft in einem Fahrzeug, insbesondere einem Landfahrzeug, einem Personenkraftwagen oder einem Lastkraftwagen. Ein Einsatz als Sicherheitsprofil in gepanzerten Fahrzeugen ist erfindungsgemäß möglich.
  • Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
  • Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    den Schichtaufbau an einem fertiggestellten Stahlbauteil nach der Warmumformung;
    Fig. 2
    in einem vereinfachten Blockschaltbild die Prozessschritte zur Herstellung des in der Fig. 1 gezeigten Stahlbauteils;
    Fig. 3 bis 6
    den Schichtaufbau an der Oberfläche des Stahlbauteils in unterschiedlichen Prozessschritten;
    Fig. 7
    in einem zweiten Ausführungsbeispiel den Schichtaufbau an einem fertiggestellten Stahlbauteil in einer Ansicht entsprechend der Fig. 1; und
    Fig. 8
    ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Ansicht entsprechend der Fig. 1.
  • In der Fig. 1 ist beispielhaft ein durch Diffusionsvorgänge im Ofen gebildetes Beschichtungssystem eines fertiggestellten Stahlbauteils 1 nach der Warmumformung gezeigt. Der Grundwerkstoff (Substrat) 3 des Stahlbauteils 1 ist beispielhaft 22MnB5. Unmittelbar auf dem Grundwerkstoff 3 ist eine Diffusionszone 5 ausgebildet, an der nach außen weitere Legierungsschichten folgen, nämlich eine Eisen-Aluminium-Silizium-Zone 7, eine Eisen-Aluminium-Zone 9, eine Eisen-Aluminium-Silizium-Mangan-Zone 11, eine Eisen-Aluminium-Zone 13 sowie eine Aluminiumoxid-Zone 15, eine Oxidationsschicht 17 und als Deckschicht 19 eine Titanoxidschicht gebildet ist.
  • Der in der Fig. 1 mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnete laminarer Aufbau entspricht einem Beschichtungssystem, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zusätzlich ist der laminare Aufbau mit der Oxidationsschicht 17 und mit der Deckschicht 19 überdeckt. Diese reduzieren unter anderem die Rauigkeit der Metalloberfläche des Stahlbauteils 1, wodurch sich der abrasive Werkzeugverschleiß im Umformschritt sowie beim Ofentransfer reduziert.
  • Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 bis 6 das Verfahren zur Herstellung des in der Fig. 1 gezeigten Stahlbauteils 1 beschrieben: So wird in der Fig. 2 der Grundwerkstoff 3 des Stahlbauteils 1 zunächst einer Vorbehandlung I zur Vorbereitung für die Warmumformung unterworfen. Die Vorbehandlung I weist unter anderem die in der Fig. 2 gezeigten Prozessschritte Ia, Ib und Ic auf. Im Prozessschritt la erfolgt eine Schmelztauchbeschichtung, in der auf dem Stahlbauteil-Grundwerkstoff 3 die Aluminium-Silizium-Schicht 15 appliziert wird. Diese dient während der Wärmebehandlung als eine Zunderschutzschicht. Im nachfolgenden Prozessschritt Ib erfolgt eine Beizpassivierung, bei der das Stahlbauteil 1 in einem Beizbad mit einer Beizlösung behandelt und anschließend bei Raumtemperatur luftgetrocknet wird. Die Beizlösung kann beispielhaft eine wässrige Lösung einer Säure, einer Base oder PH-Wert - neutral sein, zum Beispiel Phosphorsäure, mittels der sich die reaktionsträge sowie korrosionsfeste Oxidationsschicht 17 auf der Aluminium-Silizium-Schicht 15 bildet. Anschließend wird in einem dritten Prozessschritt Ic eine weitere Schmelztauchbeschichtung durchgeführt, bei der als Deckschicht die Titanoxidschicht 19 aufgebracht wird.
  • In der Fig. 3 ist das Stahlbauteil 1 nach erfolgtem Prozessschritt la gezeigt, das heißt mit der AlSi-Schicht 15. In der Fig. 4 ist das Stahlbauteil 1 nach dem Prozessschritt Ib (das heißt nach der Beizpassivierung) mit der zusätzlichen Oxidationsschicht 17 gezeigt, während in der Fig. 5 das Stahlbauteil 1 nach dem Prozessschritt Ic dargestellt ist, und zwar mit der zusätzlichen Deckschicht 19.
  • Im Anschluss an die Vorbehandlung I wird das Stahlbauteil 1 in einen Wärmebehandlungsofen transferiert, in dem die Wärmebehandlung II durchgeführt wird. Hierzu wird das Stahlbauteil 1 auf eine Zieltemperatur von zum Beispiel mindestens 945°C aufgeheizt, und zwar exemplarisch für eine vordefinierte Prozessdauer, die im Bereich von zum Beispiel 100 bis maximal 4000 sec. liegen kann. Durch Diffusionsvorgänge im Ofen bildet sich das in der Fig. 6 gezeigte Beschichtungssystem auf der Oberfläche des Stahlbauteil 1. Das noch im Heißzustand befindliche Stahlbauteil 1 wird dann einer Warmumformung III unterworfen, bei der das Stahlbauteil 1 sowohl warmumgeformt als auch abschreckgehärtet wird.
  • In dem obigen Ausführungsbeispiel ist die Zunderschutzschicht 15 eine AI-Si-Schicht. Anstelle dessen kann die Zunderschutzschicht 15 auch eine Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung sein.
  • Diese kann bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess auf das Stahlbauteil 1 appliziert werden.
  • In der Fig. 7 ist ein Stahlbauteil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Beschichtungssystem im Wesentlichen identisch mit dem in der Fig. 1 gezeigten Beschichtungssystem ist. Alternativ zur Fig. 1 ist in der Fig. 7 die Deckschicht 19 weggelassen, so dass die Oxidationsschicht 17 nach außen freigelegt ist.
  • In der Fig. 8 ist ein weiteres Stahlbauteil 1 gezeigt, bei dem die Oxidationsschicht 17 ebenfalls nach außen freigelegt ist. Die Oberfläche des Stahlbauteils 1 ist in der Fig. 8 in einen Flächenabschnitts 21 ohne Oxidationsschicht 17 und in einem Flächenabschnitt 23 mit Oxidationsschicht 17 unterteilt. Die beiden Flächenabschnitte 21, 23 weisen unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten auf, die im folgenden Umformschritt III unterschiedliche Haft-Reibkoeffizienten zur Umform-Werkzeugfläche bilden, wodurch während der Warmumformung der Werkstofffluss steuerbar ist. Derart unterschiedliche Flächenabschnitte 21, 23 sind zum Beispiel über eine Maskierung des Stahlbauteils 1 beim Durchlauf durch die Beizpassivierung (Beizanlage) einstellbar.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils (1), das in einem Wärmebehandlungsschritt (II) in einen Bereich vollständiger oder teilweiser Austenitisierung erwärmt wird, und das erwärmte Stahlbauteil (1) in einem Umformschritt (III) sowohl warmumgeformt als auch abschreckgehärtet wird, wobei dem Wärmebehandlungsschritt (II) ein erster Vorbehandlungsschritt (la) prozesstechnisch vorgelagert ist, in dem das Stahlbauteil (1) zum Schutz vor Verzunderung im Wärmebehandlungsschritt (II) mit einer korrosionsfesten Zunderschutzschicht (15) versehen wird, wobei vor der Durchführung des Wärmebehandlungsschritts (II) in einem zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) eine Oberflächenoxidation erfolgt, in der eine reaktionsträge, korrosionsfeste Oxidationsschicht (17) auf der Zunderschutzschicht (15) gebildet wird, mittels der ein abrasiver Werkzeugverschleiß im Umformschritt (III) reduziert wird, wobei die Oberflächenoxidation im zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) durch Beizpassivierung erfolgt, und zur Beizpassivierung das Stahlbauteil (1) in einem Beizbad mit einer Beizlösung behandelt wird und anschließend getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beizlösung eine wässrige Lösung von Phosphorsäure ist, dass vor der Durchführung des Wärmebehandlungsschritts (II) ein dritter Vorbehandlungsschritt (Ic) erfolgt, in dem in einem Schmelztauchbad eine Deckschicht (19) hoher Schmelztemperatur auf der korrosionsfesten Oxidationsschicht (17) gebildet wird, und dass mittels der Deckschicht (19) im nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt (II) ein Aufschmelzen der darunter liegenden Schichten (15, 17) verhindert wird, wobei die Deckschicht (19) eine Metalloxidschicht, nämlich eine Titanoxidschicht oder eine Titan-Zirkonium-Schicht, ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15) eine Aluminium-Silizium-Schicht ist, die bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess oder Coil-Coating-Prozess auf das Stahlbauteil (1) appliziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15) eine aluminiumhaltige Schicht ist, die bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess oder Coil-Coating-Prozess auf das Stahlbauteil (1) appliziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15) eine Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung ist, die bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess auf das Stahlbauteil (1) appliziert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenoxidation im zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) partiell erfolgt, und zwar unter Bildung zumindest eines Flächenabschnitts (21) ohne Oxidationsschicht (17) und eines Flächenabschnitts (23) mit Oxidationsschicht (17), und dass die Flächenabschnitte (21, 23) unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten aufweisen, die im Umformschritt (III) unterschiedliche Haft-Reibkoeffizienten zur Umform-Werkzeugfläche bilden, wodurch während der Warmumformung der Werkstofffluss steuerbar ist, und dass die partielle Oberflächenoxidation über eine Maskierung des Stahlbauteils (1) beim Durchlauf durch die Beizpassivierung im zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff oder Substrat (3) des Stahlbauteils (1) ein Mangan-Bor-legierter Vergütungsstahl ist, insbesondere 20MnB5, 22MnB5, 27MnB5, 30MnB5.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschichtdicke (s) vor dem Wärmebehandlungsschritt kleiner als 20 µm ist oder größer als 33 µm ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsschicht (17) und/oder die Deckschicht (19) eine Schmelztemperatur größer als 2000°C, eine Biegefestigkeit größer als 300 MPa, eine Druckfestigkeit größer als 2000 MPa und eine Vickershärte größer als 1600 HV1 aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15), die Oxidationsschicht (17) und die Deckschicht (19) vor dem Wärmebehandlungschritt (II) auf das Substrat (3) des Stahlbauteils (1) aufgebracht werden, und dass die sich während des Wärmebehandlungsschrittes (II) durch Diffusionsvorgänge unter der Oxidationsschicht (17) weitere Phasen bzw. Schichten (5 bis 15) ausbilden, insbesondere eine Al-Fe-Si-Phase (7), eine Al-Fe-Zone (9), eine Al-Fe-Si-Mn-Zone (11), eine Fe-Al-Zone (13) und eine Aluminiumoxid-Zone.
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