EP3625048A1 - Warmumformmaterial, bauteil und verwendung - Google Patents

Warmumformmaterial, bauteil und verwendung

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Publication number
EP3625048A1
EP3625048A1 EP18724548.5A EP18724548A EP3625048A1 EP 3625048 A1 EP3625048 A1 EP 3625048A1 EP 18724548 A EP18724548 A EP 18724548A EP 3625048 A1 EP3625048 A1 EP 3625048A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
forming material
hot
steel
hot forming
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18724548.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens-Ulrik Becker
Stefan Myslowicki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG, ThyssenKrupp AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP3625048A1 publication Critical patent/EP3625048A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • B32B15/011—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic all layers being formed of iron alloys or steels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/18—Layered products comprising a layer of metal comprising iron or steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C2/12—Aluminium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C23C28/021—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material including at least one metal alloy layer

Definitions

  • the invention relates to a hot forming material of a five-layer composite material.
  • Lightweight construction is an essential element in reducing vehicle weight. This can be achieved, inter alia, by the use of materials with increased strength. As the strength increases, its bending capacity tends to decrease. In order to ensure the occupant protection required for crash-relevant components despite increased strength to realize lightweight construction, it must be ensured that the materials used can convert the energy introduced by a crash by deformation. This requires a high degree of formability, especially in the crash-relevant components of a vehicle structure.
  • One way to save weight for example, the body and / or the chassis of a land-based vehicle even easier to design or build by innovative materials compared to the conventionally used materials.
  • component-specific conventional materials can be replaced by materials with thinner wall thicknesses with optimized properties.
  • more and more hybrid materials or composites find their way into the automotive industry, which are composed of two or more different materials, each individual material has certain, partly opposing properties, which are combined in the composite material to composite material in comparison to the individual, monolithic materials to achieve improved properties.
  • Composite materials, in particular composed of different steels are known in the art, for example from the German patent application DE 10 2008 022 709 AI or from the European patent application EP 2 886 332 AI.
  • a steel composite designed for hot forming is marketed by the Applicant under the trade names "Tribond®” 1200 and 1400.
  • a high strength hardenable steel core layer and a ductile steel top layer in different material thicknesses are used to achieve the high strength target
  • a high material thickness of the ductile composite partner is provided. This reduces the strength of the composite material in two ways: firstly, it is the ductile portion itself that leads to it, secondly, the strength of the core is lowered because during production (hot roll plating) and processing (hot working) diffusion flows of the alloying elements between the composite partners occur.
  • the use of thin cover layers achieves a high overall strength, the diffusion processes lead to a comparatively strong hardening of the ductile composite partner, so that the ductility objectives can not be achieved at the end.
  • the abovementioned steel-material composites are cut into blanks and heated to austenitizing temperature, in order to subsequently heat-form and cool them in a cooled mold at the same time.
  • intensive cooling cooling rates of at least 27 K / s are required when using a 22MnB5 as a core layer, the structure of austenite completely converts into martensite and the material processed into the component receives its desired high strength in the core layer in the press-hardened state.
  • This process is also known in the art as press hardening.
  • the steel material composites used for this purpose are, for example, provided with an aluminum-based coating, in particular an AlSi coating, in order to avoid unwanted scale formation when the board is heated to austenitizing temperature.
  • the design of the steel material composite for hot forming was previously based on the mechanical properties.
  • a disadvantage is the carburization of the outer layers during manufacture for composite material and during hot forming, which leads to an unsatisfactory strength or ductility of the composite materials due to the chemical composition of the composite partners.
  • the object of the present invention is to provide a hot-forming material which undergoes essentially no to low carburization of the outer layers during production and (further) processing.
  • Claim l In order to avoid the described problem with respect to the carburization of the outer layers and to achieve a high overall strength of a composite material with simultaneously high residual ductility, it is necessary to substantially suppress the access of carbon from the core layer into the cover layer in a suitable form. This can be achieved by a hot-forming material according to the invention from a five-ply composite material having a construction of a ply-liner-ply-liner ply-liner ply.
  • the intermediate layer serves as a separating layer substantially for suppressing the diffusion flow between the core and cover layers, while on the other hand it contributes to ensuring sufficient ductility of the hot-forming material.
  • the release effect is based on the fact that diffusing carbon from the core layer essentially bonds near the surface with correspondingly affine alloy elements of the intermediate layer, such as, for example, chromium in the form of chromium carbides.
  • the separation effect of the intermediate layer can be enhanced by a conversion-free, ferritic (cubic-body-centered) or austenitic (cubic-face-centered) lattice structure with corresponding carbon solubility.
  • the top layer used Another contribution to the ductility is provided by the top layer used. This has as an additional function a shielding of the separating layer from the environment, so that in later use, the combination of a component of a hot forming material according to the invention with a component, such as a conventional steel, not to form a galvanic element and thus to an increased corrosion attack on the component made of conventional steel.
  • the five-layer hot forming material comprises a core layer of a hardenable steel having a carbon content C of at least 0.2 wt .-%, two cohesively bonded to the core layer intermediate layers of a steel with a chromium content Cr of at least 2 wt .-%, which is a cubic Have space-centered or cubic face-centered lattice structure, and in each case on the outer sides of the intermediate layers a cohesively connected to the intermediate layer cover layer of a steel with a coal st off share C of 0.25 wt .-% maximum.
  • the hot-forming material can be designed as a strip, plate or sheet metal or can be made available to the further process steps.
  • the hot forming material can thus be integrated into existing standard processes of hot forming without having to make any changes in the process chain.
  • the Cr-alloyed steel of the intermediate layers of the hot-forming material consists of Fe and production-related unavoidable impurities in% by weight
  • V up to 1%.
  • C is at most 0.35 wt .-%, in particular at most 0.20 wt .-%, preferably at most 0, 15 wt .-%, more preferably at most 0, 10 wt .-% before.
  • Si and Al are each present at a maximum of 2 wt .-%, in particular at most 1.5 wt .-%, preferably at most 1 wt .-%, more preferably at most 0.5 wt .-%, in particular to promote the weldability.
  • AI and / or Si may also be included only as an impurity and / or normal companion.
  • Mn is limited to not more than 2% by weight, in particular not more than 1.5% by weight, preferably not more than 1% by weight, more preferably not more than 0.8% by weight, and may contain at least 0.01% by weight .-% positively influence the adjustment of the strength.
  • Cr is a ferrite former and serves to bind diffusing C from the core layer and is present in at least 2% by weight, in particular at least 8% by weight, preferably at least 10.5% by weight, and is not more than 30% by weight. %, in particular at most 27 wt .-%, preferably at most 25 wt .-% limited.
  • Ni is an austenite former and may contribute to increasing strength and ductility and may be present at a level of at most 26% by weight, especially at most 18% by weight, preferably at most 12% by weight. To ensure a stable austenitic lattice structure (cubic-face-centered lattice structure), a proportion of at least 8.5% by weight should not be undercut.
  • Mo is at a maximum of 7 wt .-% and can be further limited in particular to a maximum of 3 wt .-%, preferably at most 1 wt .-%, since in the intermediate layers no corrosion protection is required. With a content of at least 0.01% by weight, Mo can positively influence the strength.
  • the alloying elements are each limited to a maximum of 1 wt .-%, and in particular in the range from 0.1 to 2.0% by weight, preferably 0.25 to 1.5% by weight and particularly preferably 0.3 to 1.2% by weight, based on the total amount of Ti, Nb, Zr and V, lies.
  • the Cr-alloyed steel it is not necessary for the Cr-alloyed steel to contain all four of the mentioned alloying elements, but it is also possible that the content results only from one, two or three of said alloying elements.
  • the elements Ti, Nb, Zr and V by virtue of their preferred binding to N over Cr, ensure that the ferrite-forming free Cr content is not reduced by nitride formation.
  • Exemplary representatives of Cr-alloyed steels are commercial steels of the group designated 1.4XXX, with a conversion-free, ferritic (body-centered cubic) microstructure, for example 1.4509, 1.4510, 1.4511 or 1.4613 or with a conversion-free, austenitic (cubic-face centered) microstructure for example, 1.4306, 1.4577 or 1.4541.
  • the hardenable steel of the core layer of the hot-forming material consists of Fe and production-related unavoidable impurities in% by weight
  • C is a strength-increasing alloying element and contributes to an increase in strength to increase the strength, so that a content of at least 0.2 wt .-%, in particular of at least 0.28 wt .-%, preferably of at least 0.33 wt .-%, more preferably at least 0.37 wt .-%, particularly preferably at least 0.42 wt .-% is present in order to achieve or set the desired strength.
  • the brittleness increases, so that the content to a maximum of 0.8 wt .-%, in particular at most 0.75 wt .-%, preferably at most 0.68 wt .-%, more preferably at most 0.65 wt .-%, more preferably not more than 0.62 wt .-% is limited in order not to adversely affect the material properties and to ensure sufficient weldability.
  • Si is an alloying element that contributes to solid solution hardening and, depending on the content, has a positive effect on an increase in strength, so that a content of at least 0.05% by weight is present.
  • the alloying element is limited to a maximum of 0.5% by weight, in particular a maximum of 0.45% by weight, preferably a maximum of 0.4% by weight, in order to ensure sufficient rolling capability.
  • Mn is an alloying element which contributes to hardenability and has a positive effect on the tensile strength, in particular for the setting of S to MnS, so that a content of at least 0.5% by weight is present.
  • the alloying element is limited to a maximum of 2.0% by weight, in particular a maximum of 1.7% by weight, preferably a maximum of 1.5% by weight, in order to ensure sufficient weldability.
  • Al may contribute as an alloying element for deoxidation, wherein a content of at least 0.01 wt .-%, in particular 0.015 wt .-% may be present.
  • the alloying element is limited to a maximum of 0.2 wt .-%, in particular at most 0, 15 wt .-%, preferably at most 0, 1 wt .-% to substantially reduce precipitates in the material, in particular in the form of non-metallic oxide inclusions and / or to avoid which can adversely affect the material properties.
  • the content can be adjusted between 0.02 and 0.06 wt .-%.
  • Cr may also contribute to the setting of the strength, in particular to the hardenability, as an alloying element, for example with a content of at least 0.05% by weight.
  • the alloying element is limited to a maximum of 1.0% by weight, in particular a maximum of 0.8% by weight, preferably a maximum of 0.7% by weight, in order to ensure sufficient weldability.
  • B can contribute to hardenability and increase in strength as an alloying element, in particular when N is set and can be present at a level of at least 0.0008% by weight, in particular of at least 0.001% by weight.
  • the alloying element can be limited to a maximum of 0.01% by weight, in particular to a maximum of 0.008% by weight, since higher contents have an adverse effect on the material properties and would result in a reduction of hardness and / or strength in the material.
  • Ti and Nb may be alloyed as alloying elements singly or in combination for grain refining and / or N-setting, especially when Ti is present at a level of at least 0.005 wt%.
  • the content of Ti should be at least 3.42 * N.
  • the alloying elements are limited in combination to a maximum of 0.2 wt .-%, in particular at most 0, 15 wt .-%, preferably at most 0, 1 wt .-%, since higher contents adversely affect the material properties, in particular adversely on the Toughness of the material.
  • Mo, V, Cu, Ni, Sn, Ca, Co, As, N, P, or S are alloying elements that can be counted as impurities individually or in combination, unless they are specifically added to set specific properties.
  • the contents are limited to a maximum of 0.2% by weight Mo, to a maximum of 0.2% by weight V, to a maximum of 0.2% by weight Cu, to a maximum of 0.4% by weight Ni, to a maximum 0.05 wt .-% Sn, to a maximum of 0.01 wt .-% Ca, to a maximum 0.02 wt.% Co, to a maximum of 0.02 wt.% As, to a maximum of 0.01 wt.% N, to a maximum of 0.06 wt.% P, to a maximum of 0.03 wt. % S.
  • the hardenable steel of the core layer of the hot-forming material thus has a tensile strength> 1500 MPa and / or a hardness> 465 HVIO, in particular a tensile strength> 1700 MPa and / or a hardness> 520 HVIO, preferably a tensile strength> 1900 MPa and / or in the press-hardened state a hardness> 575 HVIO, more preferably a tensile strength> 2100 MPa and / or a hardness> 630 HVIO.
  • the microstructure in the press-hardened state consists of at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 98%, of martensite and / or martensite bainite and may also contain ferrite in the transition region to the intermediate layer.
  • the steel of the cover layers of the hot-forming material consists of Fe and production-related unavoidable impurities in% by weight
  • C is at its maximum as an alloying element 0.25 wt .-% before.
  • the C content is, for example, in the range between 0.003-0.19% by weight, in particular between 0.01-0.17% by weight.
  • Si is an alloying element capable of contributing to solid solution hardening and positively increasing in strength so that a content of at least 0.01% by weight may be present.
  • the alloying element is limited to not more than 1.0% by weight, in particular not more than 0.9% by weight, preferably not more than 0.8% by weight, in order to ensure adequate rolling and / or surface quality.
  • Mn is an alloying element that contributes to hardenability and can have a positive effect on the tensile strength, in particular for setting S to MnS, so that a content of at least 0.05% by weight may be present.
  • the alloying element is limited to a maximum of 3.0% by weight, in particular a maximum of 2.8% by weight, preferably a maximum of 2.6% by weight, in order to ensure sufficient weldability.
  • Al contributes as an alloying element for deoxidation, wherein a content of at least 0.01 wt .-%, in particular 0.015 wt .-% is present.
  • Al is limited to a maximum of 1.0% by weight, in particular not more than 0.9% by weight, preferably not more than 0.8% by weight, in order essentially to reduce precipitations in the material, in particular in the form of non-metallic oxidic inclusions and / or to avoid which can adversely affect the material properties.
  • Cr may also contribute to the adjustment of the strength as an alloying element and may be present in a content of in particular of at least 0.05% by weight and to a maximum of 1.0% by weight, in particular not more than 0.9% by weight. preferably be limited to a maximum of 0.8 wt .-% in order to ensure a substantially complete coatability of the surface can.
  • B may contribute to hardenability and strength enhancement as an alloying element, especially when N is set and may be present at a level of at least 0.0008% by weight.
  • the alloying element can be limited to a maximum of 0.01% by weight, in particular to a maximum of 0.005% by weight, since higher contents have an adverse effect on the material properties and would result in a reduction of the hardness and / or strength in the material.
  • Ti and Nb can be alloyed as alloying elements individually or in combination for grain refining and / or N-setting, with contents in particular of at least 0.001% by weight of Ti and / or of at least 0.001% by weight of Nb.
  • the content of Ti should be at least 3.42 * N.
  • the alloying elements in combination are limited to a maximum of 0.25% by weight, in particular not more than 0.2% by weight, preferably not more than 0.1% by weight, since higher contents have a disadvantageous effect on the material properties, in particular adversely on the Toughness of the material.
  • Mo, V, Cu, Ni, Sn, Ca, Co, N, P, or S are alloying elements that can be counted, individually or in combination, as impurities and / or normal companions unless specifically added to set specific properties ,
  • the contents are limited to a maximum of 0, 15 wt .-% Mo, to a maximum of 0.05 wt .-% V, to a maximum of 0.3 wt .-% Cu, to a maximum of 0.3 wt .-% Ni, to a maximum 0.05 wt .-% Sn, to a maximum of 0.01 wt .-% Ca, to a maximum of 0.02 wt .-% Co, to a maximum of 0.01 wt .-% N, to a maximum of 0, 1 wt. % P, to a maximum of 0.06% by weight S.
  • the steel of the cover layers may also consist of a hardenable steel.
  • the steel of the cover layers of the hot-forming material thus has a tensile strength ⁇ 1520 MPa and / or a hardness ⁇ 470 HV10 in the press-hardened state, in particular a tensile strength ⁇ 1200 MPa and / or a hardness ⁇ 370 HV10, preferably a tensile strength ⁇ 1000 MPa and / or a Hardness ⁇ 310 HV10, preferably tensile strength ⁇ 800 MPa and / or a hardness ⁇ 250, more preferably a tensile strength ⁇ 600 MPa and / or a hardness ⁇ 190 HV10.
  • HV corresponds to the Vickers hardness and is determined according to DIN EN ISO 6507-1: 2005 to -4: 2005.
  • the cover layers each have a material thickness ⁇ 32%, in particular ⁇ 22%, preferably ⁇ 15% based on the total material thickness of the hot-forming material and the intermediate layers each have a material thickness ⁇ 11%, in particular ⁇ 7%, preferably ⁇ 4%. based on the total material thickness of the hot-forming material.
  • the cover layers have a material thickness of at least 5%, in particular of at least 8%, per side, based on the total material thickness of the hot-forming material.
  • the intermediate layers have a material thickness of at least 0.5%, in particular of at least 1% per side, based on the total material thickness of the hot-forming material.
  • the hot forming material respectively the five-layer composite material has a total material thickness between 0.5 and 8.0 mm, in particular between 1.2 and 5.0 mm and preferably between 1.5 and 4.0 mm.
  • the material composite is produced by means of plating, in particular roll-cladding, preferably hot-rolled cladding or by casting.
  • the hot-forming material according to the invention is preferably produced by means of hot-roll cladding, as disclosed, for example, in German Patent DE 10 2005 006 606 B3. Reference is made to this patent, the contents of which are hereby incorporated by reference.
  • the hot-working material of the present invention may be produced by casting, and a possibility for its production is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication JP-A-03133330.
  • Metallic composite fabrication is generally known in the art.
  • the hot-forming material in order to use the lightweight construction potential of high-strength hot-forming materials, in particular without having to fall back on subsequent additional measures, such as blasting for scale removal and to offer a certain barrier effect with respect to corrosion, the hot-forming material according to a further embodiment on one or both sides with a corrosion protection coating, in particular with a zinc-based or aluminum-based coating, preferably provided with an AlSi coating, so that the components produced from the hot forming material for later installation without further effort in a vehicle structure, for example, can be resistance point welded and have sufficient paint adhesion.
  • a corrosion protection coating in particular with a zinc-based or aluminum-based coating, preferably provided with an AlSi coating
  • the invention relates to a component made from a hot-forming material according to the invention by means of press hardening, in particular for the production of a component for the automotive, railway, shipbuilding or aerospace industry.
  • the press-hardened hot-forming material has only slight changes in the properties of the individual layers (composite partners) in comparison to the known from the prior art material composites with high strength and ductility in the near-surface region and in the cover layers.
  • the invention relates to a use of a component produced from the hot-forming material according to the invention in a body or in the chassis of a land-bound vehicle.
  • a land-bound vehicle preferably persons cars, commercial vehicles or buses, whether with an internal combustion engine, purely electrically powered or hybrid-powered vehicles.
  • the components can be used as longitudinal or transverse beams or columns in the land-bound vehicle, for example, they are formed as profiles, in particular as a crash profile in the bumper, sill, side impact or in areas where no to small deformations / intrusions in the event of a crash are required ,
  • Fig. 1 shows a schematic section through an inventive hot-forming material. Description of the preferred embodiment
  • the single FIGURE shows a schematic sectional view through a hot-forming material (1) according to the invention.
  • the hot-forming material (1) according to the invention comprises a core layer (1.1) made of a hardenable steel having a carbon content C of at least 0.2 wt .-%, which in the press-hardened state, a tensile strength> 1500 MPa and / or a hardness> 465 HV10, in particular a Tensile strength> 1700 MPa and / or a hardness> 520 HV10, preferably a tensile strength> 1900 MPa and / or a hardness> 575 HV10, more preferably a tensile strength> 2100 MPa and / or a hardness> 630 HV10, two cohesively with the core layer (1.1) bonded intermediate layers (1.2) made of a steel with a chromium content Cr of at least 2 wt .-%, which have a cubic-body-centered (austenic) or cubic face-centered
  • the free surfaces of the cover layers (1.3) of the hot-forming material (1) are provided with a corrosion protection coating (1.4), in particular with a zinc-based or aluminum-based coating, preferably with an AlSi coating.
  • the material thickness of the cover layers (1.3) per side is at least 5% and at most 30%, preferably at least 7.5% and at most 15% relative to the Total material thickness of the hot-forming material (1) and the material thickness of the intermediate layers (1.2) per side is at least 0.5% and at most 11%, preferably at least 1% and at most 7% based on the total material thickness of the hot-forming material (1), wherein the hot-forming material (1 ), for example, may have a total material thickness between 0.5 and 8 mm.
  • a hot-forming material was produced by means of hot-rolling plating, which had a five-layer composite material.
  • the cover layers used were a steel of the designation HX340LAD, as intermediate layers a Cr-alloyed steel of the designation 1.4510 was used and as the core layer a hardenable steel of the designation 37MnB5 was used.
  • Sheet metal blanks with two cover layers, two intermediate layers and a core layer arranged between the intermediate layers were stacked on top of each other, which were at least partially joined along their edges cohesively, preferably by welding to a pre-bond.
  • the pre-bond was at temperature
  • the composite material and the hot forming material was coated on both sides with an aluminum-based coating, an AlSi coating, each with a layer thickness of 15 ⁇ .
  • the layer thicknesses can be between 5 and 30 ⁇ .
  • the blanks were heated to austenitizing temperature, in particular above A c3 (based on the core layer) in an oven for about 6 minutes or heated and then hot formed into components in a cooled tool and cooled.
  • the cooling rates were included
  • the core layers were essentially completely made of martensite over the thickness, at the transition to the intermediate layer, the structure may additionally contain proportions of bainite and / or ferrite.
  • a structure with at least a portion of ferrite, bainite, martensite had set.
  • the intermediate layer essentially retained its original structure, which it had at the time of providing it before producing the material composite and further processing into a component.
  • the material thickness of the cover layers per side was 6% and that of the intermediate layers per side 2% based on the total material thickness of the hot-forming material, so that the core layer had a material thickness of 84% based on the total material thickness.
  • the hot-forming material according to the invention can also be part of a tailored product, for example part of a tailored welded blank and / or tailored rolled blank.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Warmumformmaterial (1) aus einem fünflagigen Werkstoffverbund umfassend eine Kernlage (1.1) aus einem härtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffanteil C von mindestens 0,2 Gew.-%, zwei stoffschlüssig mit der Kernlage (1.1) verbundene Zwischenlagen (1.2) aus einem Stahl mit einem Chromgehalt Cr von mindestens 2 Gew.-%, welche eine kubisch-raumzentrierte oder kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen, und auf den Aussenseiten der Zwischenlagen (1.2) jeweils eine stoffschlüssig mit der Zwischenlage (1.2) verbundene Decklage (1.3) aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil C von maximal 0,25 Gew.-%. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil sowie eine entsprechende Verwendung.

Description

Warmumformmaterial, Bauteil und Verwendung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Warmumformmaterial aus einem fünflagigen Werkstoffverbund. Technischer Hintergrund
In der Automobilindustrie wird nach neuen Lösungen zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts und damit einhergehend zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs gesucht. Leichtbau ist dabei ein wesentlicher Baustein, um das Fahrzeuggewicht senken zu können. Dies kann unter anderem durch den Einsatz von Werkstoffen mit gesteigerter Festigkeit erzielt werden. Mit dem Anstieg der Festigkeit nimmt in der Regel dessen Biegevermögen ab. Um trotz gesteigerter Festigkeit zur Realisierung von Leichtbau auch den bei crashrelevanten Bauteilen erforderlichen Insassenschutz sicherzustellen, ist zu gewährleisten, dass die eingesetzten Werkstoffe die durch einen Crash eingeleitete Energie durch Deformation umwandeln können. Dies bedingt ein hohes Maß an Umformvermögen insbesondere in den crashrelevanten Bauteilen einer Fahrzeugstruktur. Eine Möglichkeit, Gewicht einzusparen, ist beispielsweise die Karosserie und/oder das Fahrwerk eines landgebundenen Fahrzeugs noch leichter, durch innovative Werkstoffe im Vergleich zu den konventionell eingesetzten Werkstoffen zu gestalten bzw. zu bauen. So können beispielsweise bauteilspezifisch konventionelle Werkstoffe durch Werkstoffe mit dünneren Wandstärken mit optimierten Eigenschaften ersetzt werden. Beispielsweise finden immer mehr Hybridwerkstoffe oder Werkstoffverbunde Einzug in der Automobilindustrie, die aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sind, wobei jedes einzelne Material bestimmte, teils gegensätzliche Eigenschaften aufweist, die im Werkstoffverbund vereint werden, um im Werkstoffverbund im Vergleich zu den einzelnen, monolithischen Materialien verbesserte Eigenschaften zu erzielen. Werkstoffverbunde, insbesondere aus unterschiedlichen Stählen zusammengesetzt sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 022 709 AI oder aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 2 886 332 AI .
Ein für die Warmumformung konzipierter Stahl-Werkstoffverbund wird seitens der Anmelderin unter dem Handelsnamen„Tribond®" 1200 und 1400 vertrieben. Es wird ein höchstfester, härtbarer Stahl als Kernlage und ein duktiler Stahl als Decklagen in unterschiedlichen Materialdicken eingesetzt, um das Ziel aus hoher Festigkeit und Duktilität zu erreichen. Um bei solchen Werkstoffpaarungen ein akzeptables Restumformvermögen im pressgehärteten Zustand zu erreichen, ist eine hohe Materialdicke des duktilen Verbundpartners vorgesehen. Dies reduziert die Festigkeit des Werkstoffverbundes auf zwei Arten: erstens ist es der duktile Anteil selbst, der hierzu führt, zweitens wird die Festigkeit des Kerns gesenkt, da im Verlauf der Fertigung (Warmwalzplattieren) und der Verarbeitung (Warmumformung) Diffusionsströme der Legierungselemente zwischen den Verbundpartnern auftreten. Beispielsweise diffundiert Kohlenstoff von der Kernlage in die Decklage, härtet diese auf und senkt dabei gleichzeitig die Festigkeit im Kernbereich. Bei Verwendung von dünnen Decklagen wird zwar eine hohe Gesamtfestigkeit erreicht, durch die Diffusionsprozesse tritt aber eine vergleichsweise starkes Aufhärten des duktilen Verbundpartners auf, so dass die Duktilitätsziele am Ende nicht erreicht werden können.
Bei der Warmumformung werden die eingangs erwähnten Stahlwerkstoffverbunde zu Platinen zugeschnitten und auf Austenitisierungstemperatur erwärmt, um sie anschließend in einem gekühlten Werkzeug gleichzeitig warm umzuformen und abzukühlen. Durch eine intensive Abkühlung, wobei Abkühlraten von mindestens 27 K/s beim Einsatz eines 22MnB5 als Kernlage erforderlich sind, wandelt das Gefüge von Austenit vollständig in Martensit um und der zum Bauteil verarbeitete Werkstoff erhält im pressgehärteten Zustand seine angestrebte hohe Festigkeit in der Kernlage. Dieses Verfahren ist in den Fachkreisen auch unter der Bezeichnung Presshärten bekannt. Die hierzu eingesetzten Stahlwerkstoffverbunde sind beispielsweise mit einem aluminiumbasierten Überzug, insbesondere einem AlSi-Überzug versehen, um beim Erwärmen der Platine auf Austenitisierungstemperatur eine unerwünschte Zunderbildung zu vermeiden.
Die Auslegung des Stahlwerkstoffverbundes für die Warmumformung erfolgte bisher auf Grundlage der mechanischen Eigenschaften. Nachteilig wirkt sich aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Verbundpartner die Aufkohlung der äußeren Lagen während der Fertigung zum Werkstoffverbund und während der Warmumformung aus, die zu einer nicht zufriedenstellenden Festigkeit respektive Duktilität des Werkstoffverbundes führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Warmumformmaterial bereitzustellen, welches bei der Fertigung und (Weiter-) Verarbeitung im Wesentlichen keine bis geringe Aufkohlung der äußeren Lagen erfährt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Warmumformmaterial mit den Merkmalen des
Patentanspruchs l. Um das beschriebene Problem bezüglich der Aufkohlung der äußeren Lagen zu umgehen und eine hohe Gesamtfestigkeit eines Werkstoffverbundes bei gleichzeitig hoher Restduktilität zu erreichen, ist es notwendig, den Zutritt von Kohlenstoff aus der Kernlage in die Decklage in geeigneter Form im Wesentlichen zu unterdrücken. Dies kann durch ein erfindungsgemäßes Warmumformmaterial aus einem fünflagigen Werkstoffverbund mit einem Aufbau Decklage- Zwischenlage-Kernlage-Zwischenlage-Decklage erreicht werden.
Hierbei ist es die Funktion der Kernlage die Festigkeit des Werkstoffverbundes sicherzustellen. Die Zwischenlage dient einerseits als Trennschicht im Wesentlichen zur Unterdrückung des Diffusionsstroms zwischen Kern- und Decklage, andererseits trägt sie zur Sicherstellung einer ausreichenden Duktilität des Warmumformmaterials bei. Die Trennwirkung beruht darauf, dass diffundierender Kohlenstoff aus der Kernlage sich mit entsprechend affinen Legierungselementen der Zwischenlage, wie zum Beispiel Chrom in Form von Chromkarbiden im Wesentlichen grenzflächennah abbindet. Verstärkt werden kann der Trenneffekt der Zwischenlage durch eine umwandlungsfreie, ferritische (kubisch-raumzentrierte) oder austenitische (kubisch-flächenzentrierte) Gitterstruktur mit entsprechender Kohlenstofflöslichkeit. Einen weiteren Beitrag zur Duktilität liefert die verwendete Decklage. Diese hat als zusätzliche Funktion eine Abschirmung der Trennschicht gegenüber der Umgebung, so dass im späteren Einsatz die Kombination eines Bauteils aus einem erfindungsgemäßen Warmumformmaterial mit einem Bauteil, beispielsweise aus einem konventionellen Stahl, nicht zur Ausbildung eines galvanischen Elementes und damit zu einem erhöhten Korrosionsangriff am Bauteil aus konventionellem Stahl führt. Das fünflagige Warmumformmaterial umfasst dazu eine Kernlage aus einem härtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffanteil C von mindestens 0,2 Gew.-%, zwei stoffschlüssig mit der Kernlage verbundene Zwischenlagen aus einem Stahl mit einem Chromgehalt Cr von mindestens 2 Gew.-%, welche eine kubisch-raumzentrierte oder kubisch- flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen, und jeweils auf den Aussenseiten der Zwischenlagen eine stoffschlüssig mit der Zwischenlage verbundene Decklage aus einem Stahl mit einem Kohlen st off anteil C von maximal 0,25 Gew.-%.
Das Warmumformmaterial kann band-, platten- oder blechförmig ausgeführt sein bzw. den weiteren Prozessschritten bereitgestellt werden. Das Warmumformmaterial kann somit in bestehende Standard-Prozesse der Warmumformung integriert werden, ohne Änderungen in der Prozesskette vornehmen zu müssen. Erfindungsgemäß besteht der Cr-Iegierte Stahl der Zwischenlagen des Warmumformmaterials neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
C: bis 0,35%,
Si: bis 2%,
AI: bis 2%,
Mn: bis 2%,
Cr: mindestens 2%,
Ni: bis 26%,
Mo: bis 7%,
P: bis 0,05%,
S: bis 0,05%,
Ti: bis 1%,
Nb: bis 1%,
Zr: bis 1%,
V: bis 1%.
C liegt mit maximal 0,35 Gew.-%, insbesondere maximal 0,20 Gew.-%, bevorzugt maximal 0, 15 Gew.-%, weiter bevorzugt maximal 0, 10 Gew.-% vor.
Si und AI liegen jeweils mit maximal 2 Gew.-%, insbesondere maximal 1,5 Gew.-%, bevorzugt maximal 1 Gew.-%, weiter bevorzugt maximal 0,5 Gew.-% vor, um insbesondere die Schweißbarkeit zu begünstigen. AI und/oder Si können auch nur als Verunreinigung und/oder normale Begleiter enthalten sein.
Mn ist auf maximal 2 Gew.-%, insbesondere maximal 1,5 Gew.-%, bevorzugt maximal 1 Gew.-%, weiter bevorzugt maximal 0,8 Gew.-% beschränkt und kann mit einem Gehalt von mindestens 0,01 Gew.-% positiv Einfluss nehmen auf die Einstellung der Festigkeit.
Cr ist ein Ferritbildner und dient zur Abbindung von eindiffundierendem C aus der Kernlage und liegt mit mindestens 2 Gew.-%, insbesondere mindestens 8 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10,5 Gew.-% vor und ist auf maximal 30 Gew.-%, insbesondere maximal 27 Gew.-%, vorzugsweise maximal 25 Gew.-% beschränkt. Ni ist ein Austenitbildner und kann einen Beitrag zur Steigerung von Festigkeit und Duktilität liefern und kann mit einem Anteil von maximal 26 Gew.-%, insbesondere maximal 18 Gew.-%, vorzugsweise maximal 12 Gew.-% vorliegen. Zur Sicherstellung einer stabilen austenitischen Gitterstruktur (kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur) sollte ein Anteil von mindestens 8,5 Gew.-% nicht unterschritten werden.
Mo ist auf maximal 7 Gew.-% und kann auch weiter insbesondere auf maximal 3 Gew.-%, vorzugsweise maximal 1 Gew.-% beschränkt werden, da in den Zwischenlagen kein Korrosionsschutz erforderlich ist. Mit einem Gehalt von mindestens 0,01 Gew.-% kann Mo positiv Einfluss nehmen auf die Festigkeit.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn ein Anteil an Ti, Nb, Zr und/oder V vorhanden ist, der in Summe größer ist als die herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Legierungselemente jeweils auf maximal 1 Gew.-% beschränkt sind, und insbesondere im Bereich von 0, 1 bis 2,0 Gew.-%, bevorzugt 0,25 bis 1,5 Gew.-% und besonders bevorzugt 0,3 bis 1,2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Ti, Nb, Zr und V, liegt. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, dass der Cr-Iegierte Stahl alle vier der genannten Legierungselemente enthält, sondern es ist auch möglich, dass sich der Gehalt nur durch eines, zwei oder drei der genannten Legierungselemente ergibt. Die Elemente Ti, Nb, Zr und V sorgen durch ihre gegenüber Cr bevorzugte Bindung an N dafür, dass der ferritbildende freie Cr-Gehalt nicht durch Nitridbildung reduziert wird.
Beispielhafte Vertreter für Cr-Iegierte Stähle sind handelsübliche Stähle der Gruppe mit der Bezeichnung 1.4XXX, mit einem umwandlungsfreien, ferritischen (kubisch-raumzentriert) Gefüge, beispielsweise 1.4509, 1.4510, 1.4511 oder 1.4613 oder mit einem umwandlungsfreien, austenitschen (kubisch-flächenzentriert) Gefüge beispielsweise 1.4306, 1.4577 oder 1.4541.
Erfindungsgemäß besteht der härtbare Stahl der Kernlage des Warmumformmaterials neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
C: 0,2 - 0,8 %,
Si: bis 0,5 %,
Mn: 0,5 - 2,0 %,
P: bis 0,06 %, S: bis 0,03 %,
AI: bis 0,2 %,
Cr+Mo: bis 1,0 %,
Cu: bis 0,2%,
N: bis 0,01 %,
Nb+Ti: bis 0,2 %,
Ni: bis 0,4 %,
V: bis 0,2 %,
B: bis 0,01 %,
As: bis 0,02 %,
Ca: bis 0,01 %,
Co: bis 0,02 %,
Sn: bis 0,05 %.
C ist ein festigkeitssteigerndes Legierungselement und trägt mit zunehmendem Gehalt zur Festigkeitssteigerung bei, so dass ein Gehalt von mindestens 0,2 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,28 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,33 Gew.-%, weiter bevorzugt von mindestens 0,37 Gew.-%, besonders bevorzugt von mindestens 0,42 Gew.-% vorhanden ist, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen bzw. einzustellen. Mit höherer Festigkeit nimmt auch die Sprödigkeit zu, so dass der Gehalt auf maximal 0,8 Gew.-%, insbesondere maximal 0,75 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,68 Gew.-%, weiter bevorzugt maximal 0,65 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 0,62 Gew.-% beschränkt ist, um die Werkstoffeigenschaften nicht negativ zu beeinflussen und eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen.
Si ist ein Legierungselement, das zur Mischkristallhärtung beiträgt und wirkt sich je nach Gehalt positiv in einer Festigkeitssteigerung aus, so dass ein Gehalt von mindestens 0,05 Gew.-% vorhanden ist. Das Legierungselement ist auf maximal 0,5 Gew.-%, insbesondere maximal 0,45 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,4 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Walzbarkeit sicherzustellen.
Mn ist ein Legierungselement, das zur Härtbarkeit beiträgt und sich positiv auf die Zugfestigkeit auswirkt, insbesondere zum Abbinden von S zu MnS, so dass ein Gehalt von mindestens 0,5 Gew.-% vorhanden ist. Das Legierungselement ist auf maximal 2,0 Gew.-%, insbesondere maximal 1,7 Gew.-%, vorzugsweise maximal 1,5 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen. AI kann als Legierungselement zur Desoxidation beitragen, wobei ein Gehalt mit mindestens 0,01 Gew.-%, insbesondere mit 0,015 Gew.-% vorhanden sein kann. Das Legierungselement ist auf maximal 0,2 Gew.-%, insbesondere maximal 0, 15 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0, 1 Gew.-% beschränkt, um Ausscheidungen im Werkstoff insbesondere in Form von nichtmetallischen oxidischen Einschlüssen im Wesentlichen zu reduzieren und/oder zu vermeiden, welche negativ die Werkstoffeigenschaften beeinflussen können. Beispielsweise kann der Gehalt zwischen 0,02 und 0,06 Gew.-% eingestellt sein.
Cr kann als Legierungselement je nach Gehalt auch zur Einstellung der Festigkeit, insbesondere positiv zur Härtbarkeit beitragen, beispielsweise mit einem Gehalt von mindestens 0,05 Gew.-%. Das Legierungselement ist auf maximal 1,0 Gew.-%, insbesondere maximal 0,8 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,7 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen.
B kann als Legierungselement zur Härtbarkeit und Festigkeitssteigerung beitragen, insbesondere wenn N abgebunden wird und kann mit einem Gehalt von mindestens 0,0008 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,001 Gew.-% vorhanden sein. Das Legierungselement kann auf maximal 0,01 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,008 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften auswirken und eine Reduzierung der Härte und/oder Festigkeit im Werkstoff zur Folge hätte.
Ti und Nb können als Legierungselemente einzeln oder in Kombination zur Kornfeinung und/oder N-Abbindung zulegiert werden, insbesondere wenn Ti mit einem Gehalt von mindestens 0,005 Gew.-% vorhanden ist. Zur vollständigen Abbindung von N wäre der Gehalt an Ti mit mindestens 3,42*N vorzusehen. Die Legierungselemente sind in Kombination auf maximal 0,2 Gew.-%, insbesondere maximal 0, 15 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0, 1 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften, insbesondere sich negativ auf die Zähigkeit des Werkstoffs auswirken.
Mo, V, Cu, Ni, Sn, Ca, Co, As, N, P oder S sind Legierungselemente, die einzeln oder in Kombination, wenn sie nicht gezielt zur Einstellung spezieller Eigenschaften zulegiert werden, zu den Verunreinigungen gezählt werden können. Die Gehalte sind beschränkt auf maximal 0,2 Gew.-% Mo, auf maximal 0,2 Gew.-% V, auf maximal 0,2 Gew.-% Cu, auf maximal 0,4 Gew.-% Ni, auf maximal 0,05 Gew.-% Sn, auf maximal 0,01 Gew.-% Ca, auf maximal 0,02 Gew.-% Co, auf maximal 0,02 Gew.-% As, auf maximal 0,01 Gew.-% N, auf maximal 0,06 Gew.-% P, auf maximal 0,03 Gew.-% S.
Der härtbare Stahl der Kernlage des Warmumformmaterials weist somit im pressgehärteten Zustand eine Zugfestigkeit > 1500 MPa und/oder eine Härte > 465 HVIO, insbesondere eine Zugfestigkeit > 1700 MPa und/oder eine Härte > 520 HVIO, vorzugsweise eine Zugfestigkeit > 1900 MPa und/oder eine Härte > 575 HVIO, weiter bevorzugt eine Zugfestigkeit > 2100 MPa und/oder eine Härte > 630 HVIO auf. Das Gefüge im pressgehärteten Zustand besteht mindestens zu 90%, vorzugsweise mindestens zu 95%, weiter bevorzugt mindestens zu 98% aus Martensit und/oder Martensit-Bainit und kann im Übergangsbereich zur Zwischenlage auch Ferrit enthalten.
Erfindungsgemäß besteht der Stahl der Decklagen des Warmumformmaterials neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
C: bis 0,25 %,
Si: bis 1,0 %,
Mn: bis 3,0 %,
P: bis 0, 1 %,
S: bis 0,06 %,
AI: 0,01 - 1,0 %,
Cr+Mo: bis 1,5 %,
Cu: bis 0,3%,
N: bis 0,01 %,
Ni: bis 0,3 %,
Nb+Ti: bis 0,25 %,
V: bis 0,05 %,
B: bis 0,01 %,
Sn: bis 0,05 %,
Ca: bis 0,01 %,
Co: bis 0,02 %.
Zur Erhöhung der Festigkeit im oberflächennahen Bereich respektive in den Decklagen mit einer gleichzeitig moderaten Restduktilität liegt C als Legierungselement mit maximal 0,25 Gew.-% vor. Der C-Gehalt liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,003 - 0, 19 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,01 - 0, 17 Gew.-% vor.
Si ist ein Legierungselement, das zur Mischkristallhärtung beitragen kann und sich positiv in einer Festigkeitssteigerung aus, so dass ein Gehalt von mindestens 0,01 Gew.-% vorhanden sein kann. Das Legierungselement ist auf maximal 1,0 Gew.-%, insbesondere maximal 0,9 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,8 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Walzbarkeit und/oder Oberflächenqualität sicherzustellen.
Mn ist ein Legierungselement, das zur Härtbarkeit beiträgt und kann sich positiv auf die Zugfestigkeit auswirken, insbesondere zum Abbinden von S zu MnS, so dass ein Gehalt von mindestens 0,05 Gew.-% vorhanden sein kann. Das Legierungselement ist auf maximal 3,0 Gew.-%, insbesondere maximal 2,8 Gew.-%, vorzugsweise maximal 2,6 Gew.-% beschränkt, um eine ausreichende Schweißbarkeit sicherzustellen.
AI trägt als Legierungselement zur Desoxidation bei, wobei ein Gehalt mit mindestens 0,01 Gew.-%, insbesondere mit 0,015 Gew.-% vorhanden ist. AI ist auf maximal 1,0 Gew.-%, insbesondere maximal 0,9 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,8 Gew.-%, beschränkt ist, um Ausscheidungen im Werkstoff insbesondere in Form von nichtmetallischen oxidischen Einschlüssen im Wesentlichen zu reduzieren und/oder zu vermeiden, welche negativ die Werkstoffeigenschaften beeinflussen können.
Cr kann als Legierungselement je nach Gehalt auch zur Einstellung der Festigkeit beitragen und kann mit einem Gehalt insbesondere von mindestens 0,05 Gew.-% vorliegen und auf maximal 1,0 Gew.-%, insbesondere maximal 0,9 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,8 Gew.-% beschränkt sein, um eine im Wesentlichen vollständige Beschichtbarkeit der Oberfläche gewährleisten zu können.
B kann als Legierungselement zur Härtbarkeit und Festigkeitssteigerung beitragen, insbesondere wenn N abgebunden wird und kann mit einem Gehalt von mindestens 0,0008 Gew.-% vorliegen. Das Legierungselement kann auf maximal 0,01 Gew.-%, insbesondere auf maximal 0,005 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften auswirken und eine Reduzierung der Härte und/oder Festigkeit im Werkstoff zur Folge hätte. Ti und Nb können als Legierungselemente einzeln oder in Kombination zur Kornfeinung und/oder N-Abbindung zulegiert werden, mit Gehalten insbesondere von mindestens 0,001 Gew.-% Ti und/oder von mindestens 0,001 Gew.-% Nb. Zur vollständigen Abbindung von N wäre der Gehalt an Ti mit mindestens 3,42*N vorzusehen. Die Legierungselemente sind in Kombination auf maximal 0,25 Gew.-%, insbesondere maximal 0,2 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0, 15 Gew.-% beschränkt, da höhere Gehalte sich nachteilig auf die Werkstoffeigenschaften, insbesondere sich negativ auf die Zähigkeit des Werkstoffs auswirken.
Mo, V, Cu, Ni, Sn, Ca, Co, N, P oder S sind Legierungselemente, die einzeln oder in Kombination, wenn sie nicht gezielt zur Einstellung spezieller Eigenschaften zulegiert werden, zu den Verunreinigungen und/oder normale Begleiter gezählt werden können. Die Gehalte sind beschränkt auf maximal 0, 15 Gew.-% Mo, auf maximal 0,05 Gew.-% V, auf maximal 0,3 Gew.-% Cu, auf maximal 0,3 Gew.-% Ni, auf maximal 0,05 Gew.-% Sn, auf maximal 0,01 Gew.-% Ca, auf maximal 0,02 Gew.-% Co, auf maximal 0,01 Gew.-% N, auf maximal 0, 1 Gew.-% P, auf maximal 0,06 Gew.-% S.
Beispielsweise kann der Stahl der Decklagen ebenfalls aus einem härtbaren Stahl bestehen.
Der Stahl der Decklagen des Warmumformmaterials weist somit im pressgehärteten Zustand eine Zugfestigkeit < 1520 MPa und/oder eine Härte < 470 HV10, insbesondere eine Zugfestigkeit < 1200 MPa und/oder eine Härte < 370 HV10, vorzugsweise eine Zugfestigkeit < 1000 MPa und/oder eine Härte < 310 HV10, bevorzugt Zugfestigkeit < 800 MPa und/oder eine Härte < 250, besonders bevorzugt eine Zugfestigkeit < 600 MPa und/oder eine Härte < 190 HV10. HV entspricht der Vickershärte und wird nach DIN EN ISO 6507-1:2005 bis -4: 2005 ermittelt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Warmumformmaterials weisen die Decklagen jeweils eine Materialdicke < 32 %, insbesondere < 22 %, vorzugsweise < 15 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials und die Zwischenlagen jeweils eine Materialdicke < 11 %, insbesondere < 7 %, vorzugsweise < 4 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials auf. Die Decklagen weisen eine Materialdicke von jeweils mindestens 5 %, insbesondere von mindestens 8 % pro Seite bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials auf. Die Zwischenlagen weisen eine Materialdicke von jeweils mindestens 0,5 %, insbesondere von mindestens 1 % pro Seite bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials auf. Das Warmumform- material respektive der fünflagige Werkstoffverbund weist eine Gesamtmaterialdicke zwischen 0,5 und 8,0 mm, insbesondere zwischen 1,2 und 5,0 mm und vorzugsweise zwischen 1,5 und 4,0 mm auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Warmumformmaterials ist der Werkstoffverbund mittels Plattieren, insbesondere Walzplattieren, vorzugsweise Warmwalzplattieren oder mittels Gießen hergestellt. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Warmumformmaterial mittels Warmwalzplattieren, wie es beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 10 2005 006 606 B3 offenbart ist, hergestellt. Es wird Bezug auf diese Patentschrift genommen, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Alternativ kann das erfindungsgemäße Warmumformmaterial mittels Gießen hergestellt werden, wobei eine Möglichkeit zu seiner Herstellung in der japanischen Offenlegungsschrift JP-A 03 133 630 offenbart ist. Die metallische Werkstoffverbundherstellung ist allgemein aus dem Stand der Technik bekannt.
Um das Leichtbaupotenzial höchstfester Warmumformmaterialien nutzen zu können, insbesondere ohne auf spätere Zusatzmaßnahmen, wie ein Strahlen zur Zunderentfernung, zurückgreifen zu müssen und eine gewisse Barrierewirkung bezüglich Korrosion anbieten zu können, ist das Warmumformmaterial gemäß einer weiteren Ausgestaltung ein- oder beidseitig mit einem Korrosionsschutzüberzug, insbesondere mit einem zinkbasierten oder aluminiumbasierten Überzug, vorzugsweise mit einem AlSi-Überzug versehen, so dass die aus dem Warmumformmaterial hergestellten Bauteile zum späteren Einbau ohne weiteren Aufwand in eine Fahrzeugstruktur beispielsweise widerstandspunktverschweißt werden können und eine ausreichende Lackhaftung besitzen.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil hergestellt aus einem erfindungsgemäßen Warmumformmaterial mittels Presshärten, insbesondere zur Herstellung einer Komponente für den Automobilbau, Eisenbahn-, Schiffbau oder Luft- und Raumfahrt. Das pressgehärtete Warmumformmaterial weist nur geringe Veränderungen in den Eigenschaften der einzelnen Lagen (Verbundpartner) im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffverbunden bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Duktilität im oberflächennahen Bereich respektive in den Decklagen auf.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Bauteils hergestellt aus dem erfindungsgemäßen Warmumformmaterial in einer Karosserie oder im Fahrwerk eines landgebundenen Fahrzeugs. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Personen- kraftwagen, Nutzfahrzeuge oder Busse, sei es mit Verbrennungsmotor, rein elektrisch betriebene oder hybridbetriebene Fahrzeuge. Die Bauteile können als Längs- oder Querträger oder Säulen im landgebundenen Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise sind sie als Profile ausgebildet, insbesondere als Crashprofil im Stoßfänger, Schweller, Seitenaufprall- träger oder in Bereichen, in denen keine bis geringe Deformationen/Intrusionen im Crashfall gefordert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer Figur und Beispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1) einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Warmumformmaterial. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In der einzigen Figur ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Warmumformmaterial (1) gezeigt. Das erfindungsgemäße Warmumformmaterial (1) umfasst eine Kenlage (1.1) aus einem härtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffanteil C von mindestens 0,2 Gew.-%, welche im pressgehärteten Zustand eine Zugfestigkeit > 1500 MPa und/oder eine Härte > 465 HV10, insbesondere eine Zugfestigkeit > 1700 MPa und/oder eine Härte > 520 HV10, vorzugsweise eine Zugfestigkeit > 1900 MPa und/oder eine Härte > 575 HV10, weiter bevorzugt eine Zugfestigkeit > 2100 MPa und/oder eine Härte > 630 HV10 aufweist, zwei stoffschlüssig mit der Kernlage (1.1) verbundene Zwischenlagen (1.2) aus einem Stahl mit einem Chromgehalt Cr von mindestens 2 Gew.-%, welche eine kubisch-raumzentrierte (austenische) oder kubisch-flächenzentrierte (ferritische) Gitterstruktur aufweisen, und auf den Aussenseiten der Zwischenlagen (1.2) jeweils eine stoffschlüssig mit der Zwischenlage (1.2) verbundene Decklage (1.3) aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil C von maximal 0,25 Gew.-%, welche im pressgehärteten Zustand eine Zugfestigkeit < 1520 MPa und/oder eine Härte < 470 HV10, insbesondere eine Zugfestigkeit < 1200 MPa und/oder eine Härte < 370 HV10, vorzugsweise eine Zugfestigkeit < 1000 MPa und/oder eine Härte < 310 HV10, bevorzugt Zugfestigkeit < 800 MPa und/oder eine Härte < 250, besonders bevorzugt eine Zugfestigkeit < 600 MPa und/oder eine Härte < 190 HV10 aufweist. Zur Bereitstellung eines Zunderschutzes/Korrosionsschutzes sind die freien Oberflächen der Decklagen (1.3) des Warmumformmaterials (1) mit einem Korrosionsschutzüberzug (1.4), insbesondere mit einem zinkbasierten oder aluminiumbasierten Überzug, vorzugsweise mit einem AlSi-Überzug versehen. Die Materialdicke der Decklagen (1.3) beträgt pro Seite mindestens 5 % und maximal 30 %, vorzugsweise mindestens 7,5 % und maximal 15 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1) und die Materialdicke der Zwischenlagen (1.2) beträgt pro Seite mindestens 0,5 % und maximal 11 %, vorzugsweise mindestens 1 % und maximal 7 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1), wobei das Warmumformmaterial (1) beispielsweise eine Gesamtmaterialdicke zwischen 0,5 und 8 mm aufweisen kann.
Aus handelsüblichen Stahlflachprodukten wurde mittels Warmwalzplattieren ein Warmumformmaterial erzeugt, das einen fünflagigen Werkstoffverbund aufwies. Als Decklagen wurde ein Stahl der Bezeichnung HX340LAD, als Zwischenlagen wurde ein Cr-Iegierter Stahl der Bezeichnung 1.4510 und als Kernlage wurde ein härtbarer Stahl der Bezeichnung 37MnB5 verwendet.
Dabei wurden jeweils Blechzuschnitte mit zwei Decklagen, zwei Zwischenlagen und einer zwischen den Zwischenlagen angeordneten Kernlage aufeinander gestapelt, welche zumindest bereichsweise entlang ihrer Kanten stoffschlüssig, vorzugsweise mittels Schweißen zu einem Vorverbund miteinander verbunden wurden. Der Vorverbund wurde auf Temperatur
> 1200°C gebracht und in mehreren Schritten zu einem Werkstoffverbund mit einer Gesamtdicke von 3 mm warmgewalzt und zu einem Kaltband mit 1,5 mm weiterverarbeitet. Der Werkstoffverbund respektive das Warmumformmaterial wurde beidseitig mit einem aluminiumbasierten Überzug, einem AlSi-Überzug mit jeweils einer Schichtdicke von 15 μιτι beschichtet. Die Schichtdicken können zwischen 5 und 30 μιτι betragen.
Aus dem hergestellten Warmumformmaterial wurden Platinen abgeteilt. Die Platinen wurden auf Austenitisierungstemperatur, insbesondere oberhalb von Ac3 (bezogen auf die Kernlage) in einem Ofen für jeweils ca. 6 min erwärmt bzw. durchwärmt und anschließend in einem gekühlten Werkzeug zu Bauteilen warm umgeformt und abgekühlt. Die Abkühlraten lagen bei
> 30 K/s. Die Kernlagen waren über die Dicke im Wesentlichen vollständig aus Martensit, am Übergang zu der Zwischenlage kann das Gefüge zusätzlich Anteile an Bainit und/oder Ferrit enthalten. In den Decklagen hatte sich ein Gefüge mit mindestens einem Anteilen aus Ferrit, Bainit, Martensit eingestellt. Die Zwischenlage behielt ihr Ausgangsgefüge, das sie zum Zeitpunkt der Bereitstellung vor der Fertigung des Werkstoffverbundes und der Weiterverarbeitung zu einem Bauteil hatte, im Wesentlichen bei. Die Materialdicke der Decklagen betrug pro Seite 6% und die der Zwischenlagen pro Seite 2% bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials, so dass die Kernlage eine Materialdicke von 84% bezogen auf die Gesamtmaterialdicke aufwies. Mittels EDX-Analyse im Rasterelektronen- mikroskop wurden die erzeugten Bauteile näher untersucht und es konnte im Wesentlichen keine Aufhärtung, sprich keine Erhöhung der Konzentration des Kohlenstoffs in den Zwischenlagen und Decklagen festgestellt werden. Über den Querschnitt der Kernlage hatte sich ein Kohlenstoffprofil mit einer im Wesentlichen höheren Konzentration des Kohlenstoffs im Randbereich (grenzflächennah) als in der Mitte der Kernlage ausgebildet. Durch die aus einer umwandlungsfreien, ferritischen (kubisch-raumzentriert) Gitterstruktur mit entsprechender Kohlenstofflöslichkeit bestehenden Zwischenlagen als Trennschicht konnte ein Eindiffundieren des Kohlenstoffs aus der Kernlage durch das freie Chrom der Zwischenlagen in Form von Chromkarbiden im Wesentlichen grenzflächennah abgebunden wurden. Im Mittel gesehen kam es über den Querschnitt der Kernlage nur zu einer geringen Reduktion des Kohlenstoffgehaltes.
Die Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel sowie auf die Ausführungen in der allgemeinen Beschreibung beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Warmumformmaterial auch Teil eines Tailored Product, beispielsweise Teil eines Tailored Welded Blank und/oder Tailored Rolled Blank sein.

Claims

Ansprüche Warmumformmaterial (1) aus einem fünflagigen Werkstoffverbund, umfassend eine Kernlage (1.1) aus einem härtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffanteil C von mindestens 0,2 Gew.-%, zwei stoffschlüssig mit der Kernlage (1.1) verbundene Zwischenlagen (1.2) aus einem Stahl mit einem Chromgehalt Cr von mindestens 2 Gew.-%, welche eine kubisch-raumzentrierte oder kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen, und auf den Außenseiten der Zwischenlagen (1.2) jeweils eine stoffschlüssig mit der Zwischenlage (1.2) verbundene Decklage (1.3) aus einem Stahl mit einem Kohlen st off anteil C von maximal 0,25 Gew.-%, wobei der Cr-Iegierte Stahl der Zwischenlagen (1.2) neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
C: bis 0,35 %,
Si: bis 2 %,
AI: bis 2 %,
Mn: bis 2 %,
Cr: mindestens 2 %,
Ni: bis 26 %,
Mo: bis 7 %,
P: bis 0,05 %,
S: bis 0,05 %,
Ti: bis 1 %,
Nb: bis 1 %,
Zr: bis 1 %,
V: bis 1 %
besteht, wobei der härtbare Stahl der Kernlage (1.1) neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
C: 0,2 - 0,8 %,
Si: bis 0,5 %,
Mn: 0,4 - 2 %,
P: bis 0,06 %,
S: bis 0,03 %,
AI: bis 0,2 %,
Cr+Mo: bis 1 %,
Cu: bis 0,2 %,
N: bis 0,01 %, Nb+Ti: bis 0,2 %,
Ni: bis 0,4 %,
V: bis 0,
2 %,
B: bis 0,01 %,
As: bis 0,02 %,
Ca: bis 0,01 %,
Co: bis 0,02 %,
Sn: bis 0,05 %
besteht und wobei der Stahl der Decklagen (1.3) neben Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus Gew.-% aus
C: bis 0,25 %,
Si: bis 1 %,
Mn: bis 3 %,
P: bis 0, 1 %,
S: bis 0,06 %,
AI: 0,01 - 1 %,
Cr+Mo: bis 1,5 %,
Cu: bis 0,3%,
N: bis 0,01 %,
Ni: bis 0,
3 %,
Nb+Ti: bis 0,25 %,
V: bis 0,05 %,
B: bis 0,01 %,
Sn: bis 0,05 %,
Ca: bis 0,01 %,
Co: bis 0,02 %
besteht.
Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der Kernlage (1.1) einen C-Gehalt zwischen 0,28 - 0,75 Gew.-% aufweist.
Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der Kernlage (1.1) einen C-Gehalt zwischen 0,33 - 0,68 Gew.- % aufweist
4. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der Decklage (1.3) einen C-Gehalt zwischen 0,003 - 0, 19 Gew.-% aufweist.
5. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der Decklage (1.3) einen C-Gehalt zwischen 0,01 - 0, 17 Gew.- % aufweist.
6. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen (1.3) jeweils eine Materialdicke < 32 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1) und die Zwischenlagen (1.2) jeweils eine Materialdicke < 11 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1) aufweisen.
7. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen (1.3) jeweils eine Materialdicke < 22 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1) und die Zwischenlagen (1.2) jeweils eine Materialdicke < 7 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1) aufweisen.
8. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Decklagen (1.3) jeweils eine Materialdicke < 15 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1) und die Zwischenlagen (1.2) jeweils eine Materialdicke < 4 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Warmumformmaterials (1) aufweisen.
9. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund mittels Plattieren oder mittels Gießen hergestellt ist.
10. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformmaterial (1) ein- oder beidseitig mit einem Korrosionsschutzüberzug (1.4) versehen ist.
11. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformmaterial (1) ein- oder beidseitig mit einem zinkbasierten oder aluminiumbasierten Überzug (1.4) versehen ist.
12. Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformmaterial (1) Teil eines Tailored Products ist.
13. Bauteil hergestellt aus einem Warmumformmaterial nach einem der vorgenannten Ansprüche mittels Presshärten.
14. Verwendung des Bauteils nach Anspruch 13 in einer Karosserie oder im Fahrwerk eines landgebundenen Fahrzeugs.
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