EP3728656B1 - Verfahren zum erzeugen metallischer bauteile mit angepassten bauteileigenschaften - Google Patents

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EP3728656B1
EP3728656B1 EP18836369.1A EP18836369A EP3728656B1 EP 3728656 B1 EP3728656 B1 EP 3728656B1 EP 18836369 A EP18836369 A EP 18836369A EP 3728656 B1 EP3728656 B1 EP 3728656B1
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EP
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dual
press
phase
temperature
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Voestalpine Stahl GmbH
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    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a method for producing metallic components with adapted properties according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for producing steel sheets and steel components therefrom, the sheets being composed of sheet metal pieces with different properties and in particular welded together.
  • TWB Tailored Welded Blanks
  • Tailored welded blanks of this type play a major role in the manufacture of motor vehicle bodies in particular.
  • CnB steels very highly hardenable steels
  • press hardening the blank made of highly hardenable steel is heated to a temperature above the austenitization temperature and austenitized as completely as possible.
  • This blank which is in the austenitic state, is then transferred to a forming tool and both formed with one or more press strokes or press strokes and hardened by the large amount of heat dissipated from the blank into the forming tool.
  • This method is also known as the direct method.
  • a modern vehicle body thus consists of a number of load-conducting, high-strength components as well as soft, deformable elements for energy absorption.
  • Tailored Welded Blanks make it possible to integrate both properties, i.e. the load conduction and the deformation capacity, in a single component, which enables improved possibilities for energy absorption in the event of a crash and even more improved occupant protection in motor vehicles. Accordingly, these tailored welded blanks consist of hardenable areas made of the CMnB steels already mentioned and welded areas made of a softer partner material.
  • Such tailored welded blanks can also be processed with the two hardening processes mentioned. Accordingly, a high-strength, martensitic hardened structure is created during the press hardening process or during the form hardening process, ie during the direct or indirect process in the hardenable area.
  • the softer partner material takes part equally in the press-hardening process, but the different alloy layers result in significantly lower strength values with higher elongation values, which enables a high degree of energy absorption.
  • monolithic, soft and ductile components can also be manufactured, which are later connected to hard components in the body in a joining process.
  • steels are usually used as the soft partner material, which have a structure of ferrite and pearlite after the press-hardening process.
  • Such tailored welded blanks are already well known from the prior art.
  • a large number of materials are already well known as soft partner materials.
  • the object of the invention is to create a method in which tailored welded blanks, for example, can be created in a simple and cost-effective manner, in which the softer partner achieves stable mechanical characteristics regardless of the cooling situation.
  • a further object is to create a material that is suitable as a soft partner material in particular for tailor-welded blanks and that ensures stable mechanical characteristics regardless of the cooling situation and the cooling process.
  • a further task is to create a welded blank with a softer partner material and a highly hardenable boron-manganese steel and which ensures stable mechanical parameters regardless of the cooling situation and independent of the cooling process.
  • the softer partner material is formed from a steel with a dual-phase structure (DP steel).
  • the dual-phase structure according to the invention consists of a ferritic matrix with embedded martensite inclusions. Due to the enormous hardening capacity with the same strength, this allows a significantly better formability in terms of elongation at break and thus higher energy absorption than ferritic-pearlitic structures, as are known in the prior art. Therefore, the steels with a dual-phase structure according to the invention are very well suited as a soft partner material.
  • Known dual-phase steels are, for example, from EP 2 896 715 B1 known, in which a dual-phase steel with titanium precipitation hardening is described.
  • a press-hardened steel with a dual-phase structure is known.
  • a press-hardened steel with a structure of ferrite and bainite and martensite is known.
  • a structure can form which consists of a tempered martensitic matrix with little ferrite, which has only low elongations at high strengths. Only with lower cooling rates in the press are stable mechanical parameters set in the press, independent of the insertion temperature.
  • the material in order to ensure a sufficient amount of ferrite and thus a ferritic matrix in the structure, the material is annealed in the furnace in such a way that ferrite is also present in addition to austenite.
  • intercritical annealing takes place in the furnace.
  • Intercritical annealing means that the material is annealed between its Ac1 and Ac3 temperatures.
  • the amount of ferrite required to form a ferritic matrix is achieved during cooling between the furnace and press, in addition to the formation of ferrite nuclei with subsequent ferrite growth, as well as the steady growth of the ferrite present from the intercritical annealing.
  • the Ac3 temperature for the soft partner material must be kept high so that intercritical annealing is possible at all.
  • the Ac3 value is increased by aluminum.
  • the dual-phase steel is therefore formed with an increased aluminum content. This prevents a fully austenitic annealing condition due to the alloy.
  • the annealing temperature is set at > 800°C due to the CMnB partner steel, so that this annealing value must be taken as given for the intercritical annealing.
  • CMnB steels The Ac3 temperature of CMnB steels is usually around 840 °C.
  • concept of the invention is based on a C-Si-Mn-Cr-Al-Nb/Ti alloy concept.
  • the carbon contained serves to adjust the level of strength, with a higher carbon content lowering the Ac3 value, increasing strength and also increasing the yield point.
  • the elongation decreases, the formation of ferrite, pearlite and bainite is delayed and the amount of martensite in the microstructure increases.
  • the task of manganese is to adjust the level of strength. More manganese lowers the Ac3 value and increases strength and yield strength. With a higher manganese content, the elongation decreases and the formation of ferrite, pearlite and bainite is retarded and the amount of martensite in the structure increases.
  • silicon increases the level of strength, increases the Ac3 value and delays the formation of pearlite and bainite.
  • Typical values of Ae1 temperatures and Ae3 temperatures for DP steels according to the invention and alloys not according to the invention are listed in Table 1. These calculated values essentially correspond to the Ac1 temperatures and Ac3 temperatures.
  • an Ae1 temperature or an Ae3 temperature that is too low is caused by the alloy composition selected in each case achieved and/or the desired mechanical characteristics (e.g. due to insufficient silicon content) not being achieved.
  • Chromium mainly retards pearlite and bainite formation and ensures martensite formation, so chromium has a great influence on ensuring the dual-phase character.
  • the sheet steel component is produced by cold forming a blank from at least one area made of a highly hardenable carbon-manganese-boron steel and at least one dual-phase steel, then heating it and quenching it in a cooling press, or a blank from at least one area made of a highly hardenable carbon-manganese-boron steel and at least one area made of a dual-phase steel is heated to a temperature above the austenitization temperature of the highly hardenable steel material and then in a forming and cooling press with one stroke or several strokes to the Sheet steel component is formed, with a dual-phase steel being used as a softer material and as a partner for the highly hardenable carbon-manganese-boron steel, the Ac3 value of which is raised to such an extent that it can austenitize the carbon-manganese-boron at the required annealing temperatures -steel only to a partial austenitization of the dual-phase steel, so that when it is placed
  • the annealing temperatures are advantageously >800° C., preferably >840° C., in particular >870° C., but less than Ac3 of the dual-phase steel.
  • the holding time in the oven is between 0 and 600 seconds, preferably 5 and 300 seconds.
  • the Ac3 value of the dual-phase steel is so high that the degree of austenitization that occurs with the holding time and the temperature is between 50% by volume and 90% by volume.
  • the cooling rate when transferring the formed component or blank from the furnace into the cooling and/or forming press is between 5 Kelvin/sec and 500 Kelvin/sec, particularly preferably between 5 Kelvin/sec and 100 Kelvin/sec 10 Kelvin/sec and 70 Kelvin/sec.
  • the insertion temperature in the press is between 450 and 850°C, preferably between 450 and 750°C.
  • the insertion temperature is set to 700 to 850° C. during the hardening process.
  • the insertion temperature during the press hardening process is set to 400 to 650°C, preferably 440 to 600°C and particularly preferably to 450 to 520°C.
  • the cooling rate in the press is advantageously ⁇ 10 Kelvin/sec.
  • the annealing temperature is set in such a way that the dual-phase steel is annealed intercritically, ie between its Ac1 and Ac3 temperatures.
  • the remainder is iron and unavoidable impurities from the smelting process.
  • the material has a degree of austenitization of 50 to 90% at an annealing temperature of 800 to 950° C. and a furnace holding time of up to 300 seconds and after quench hardening has an existing dual phase structure with ferritic matrix and 5 to 20% martensite and optionally some bainite.
  • the method according to the invention provides, as a tailored welded blank (TWB), at least one usually flat sheet metal part made of a highly hardenable steel material, such as a boron-manganese steel and in particular a steel from the family of 22MnB5 or 20MnB8 and the same steels with at least one usually to combine a flat sheet metal part made of a dual-phase steel.
  • a tailored welded blank TWB
  • a highly hardenable steel material such as a boron-manganese steel and in particular a steel from the family of 22MnB5 or 20MnB8 and the same steels with at least one usually to combine a flat sheet metal part made of a dual-phase steel.
  • Such a combined tailored welded blank can then subsequently be sufficiently heated and then formed, or formed, then heated and quenched, in a direct or indirect process.
  • a dual-phase steel which has a comparatively high aluminum content. According to the invention, it was found that aluminum lowers the sensitivity of the mechanical characteristics to the insertion temperature and greatly lowers the sensitivity to the cooling rate in the press.
  • Simple carbon-manganese alloys which are fully austenitically annealed in the furnace, show a strong dependence on the insertion temperature at high cooling rates in the press.
  • the remainder is iron and unavoidable impurities from the smelting process.
  • the degree of austenitization that occurs in the dual-phase steel is between 50 and 90% by volume, with the target structure being a fine dual-phase steel with a ferritic matrix and 5 to 20% by volume of martensite and possibly some bainite.
  • the target structure is achieved when the subsequent cooling process is adhered to and accordingly when manipulating the component or circuit board in the cooling press, i.e. during handling, a cooling rate of 5 to 500 Kelvin/sec is maintained and the insertion temperature in the cooling press is 400 to 850°C, preferably 450 to 750°C, the insertion temperature in the cooling press being set to 700 to 800°C during the form hardening process (indirect method).
  • the insertion temperature is set to 400 to 650°C, preferably to 440 to 600°C and particularly preferably to 450 to 520°C.
  • the special effect, especially in the direct process, i.e. press hardening at an insertion temperature of 450 to 520°C, is that the microstructure can be optimally adjusted, resulting in a particularly robust system with cooling rates.
  • the cooling rate in the press should be ⁇ 10 Kelvin/sec.
  • air cooling about 5 Kelvin/sec to 70 Kelvin/sec cooling rate
  • plate cooling cooling rates of more than 80 Kelvin/sec can be achieved without any problems
  • the behavior of both steels is similar in that the elongation values, depending on the insertion temperature, fluctuate so much that conventional dual-phase steels with the known process windows and the known variations in insertion temperature are not at all suitable as partners for a highly hardenable steel.
  • the microstructure of the lower-alloy steel from the two graphics is shown at an insertion temperature of 750° and a cooling rate that was achieved by water cooling.
  • the invention therefore, in order to ensure a sufficient amount of ferrite and thus a ferritic matrix in the dual-phase structure, it is possible to carry out intercritical annealing in the furnace, so that ferrite is also present in addition to austenite.
  • the Ac3 temperature must be kept high for the soft partner material, i.e. the dual-phase beam, so that intercritical annealing is possible at all. According to the invention, this Ac3 value is increased by aluminum.
  • the invention therefore has the advantage that the good properties of the dual-phase steel can be transferred to a method for press or form hardening, in particular for the production of a tailored welded blank.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von metallischen Bauteilen mit angepassten Eigenschaften nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Stahlblechen und daraus Stahlbauteilen, wobei die Bleche aus Blechstücken mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammengesetzt und insbesondere zusammengeschweißt sind.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, aus Stahlblechen unterschiedlicher Dicke und/oder Stahlblechen mit unterschiedlicher Zusammensetzung geschweißte Platinen herzustellen, die dann einer Weiterverarbeitung, wie einer Umformung oder Wärmebehandlung zugänglich sind. Derartige Bleche werden als Tailored Welded Blanks (TWB) bezeichnet.
  • Der Sinn hierhinter ist, dass durch die unterschiedlichen Zusammensetzungen die Eigenschaften eines fertig umgeformten Bauteils zonal unterschiedlich gestaltet werden können.
  • Insbesondere bei der Herstellung von Kraftfahrzeugkarosserien spielen derartige Tailored Welded Blanks eine große Rolle.
  • In der Vergangenheit hat sich die Notwendigkeit ergeben, aus Gründen der Energieeinsparung Fahrzeuge und insbesondere die Fahrzeugkarosserien leichter auszubilden. Zudem hat sich aber zusätzlich noch die Anforderung ergeben, Fahrzeugkarosserien stabiler zu machen und insbesondere den Innenraum im Falle einer Verunfallung wirksam zu schützen. Dementsprechend hat sich in der Vergangenheit herauskristallisiert, die Karosserie von Fahrzeugen zu mindestens teilweise aus sehr hoch härtbaren Stählen (CMnB-Stählen) auszubilden. Diese hoch härtbaren Stähle werden in Blechform bereitgestellt, anschließend umgeformt und die umgeformten Bauteile anschließend sehr hoch erhitzt, bis sie vollständig austenitisiert sind, dann in eine Kühlpresse überführt und in dieser Kühlpresse durch allseitiges Anliegen von kalten Werkzeugbacken oder -Formen mit einer Geschwindigkeiten über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt, so dass das vollständig austenitisierte Bauteil zumindest überwiegend in der martensitischen Phase vorliegt, welches Härten bis über 1500 MPa ermöglicht. Dieses Verfahren, bei dem zunächst umgeformt und dann gehärtet und durch das Anlegen der Form abgekühlt wird, wird auch als indirektes Verfahren oder Formhärten bezeichnet.
  • Beim sogenannten Presshärten wird die Platine aus dem hoch härtbaren Stahl auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und möglichst vollständig austenitisiert. Anschließend wird diese im Austenitzustand vorliegende Platine in ein Umformwerkzeug überführt und mit einem oder mehreren Pressenhub bzw. Pressenhüben sowohl umgeformt als auch durch den großen Wärmeabfluss aus der Platine in das Formwerkzeug gehärtet. Dieses Verfahren wird auch als direktes Verfahren bezeichnet.
  • Durch diese beiden Verfahren war und ist es grundsätzlich möglich, eine Fahrzeugkarosserie mit sehr harten Teilen auszubilden und die übrige Karosserie entsprechend auch abgestuft aus Teilen anderer Duktilitäten und Härten herzustellen.
  • Eine moderne Fahrzeugkarosserie besteht somit aus einer Anzahl von lastleitenden, hochfesten Bauteilen als auch aus weichen, verformungsfähigen Elementen für die Energieabsorption.
  • Durch Tailored Welded Blanks (TWB) wird es ermöglicht, beide Eigenschaften, d.h., die Lastleitung als auch das Verformungsvermögen in einem einzigen Bauteil zu integrieren, was verbesserte Möglichkeiten der Energieabsorption im Crashfall und einem noch mehr verbesserten Insassenschutz bei Kraftfahrzeugen ermöglicht. Diese Tailored Welded Blanks bestehen demnach aus härtbaren Bereichen aus den bereits genannten CMnB-Stählen und angeschweißten Bereichen aus einem weicheren Partnerwerkstoff.
  • Auch derartige Tailored Welded Blanks können mit den beiden genannten Härteverfahren bearbeitet werden. Dementsprechend entsteht während des Presshärtevorganges oder während des Formhärtevorganges, also während des direkten oder indirekten Verfahrens im härtbaren Bereich ein hochfestes, martensitisches Härtegefüge. Der weichere Partnerwerkstoff nimmt am Presshärtevorgang gleichermaßen teil, jedoch ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Legierungslage deutlich geringere Festigkeitswerte bei höheren Dehnungswerten, was ein hohes Maß an Energieabsorption ermöglicht.
  • Selbstverständlich können auch monolithische, weiche und duktile Bauteile hergestellt werden, welche später in einem Fügeprozess in der Karosserie mit harten Bauteilen verbunden werden.
  • Dementsprechend werden als weicher Partnerwerkstoff üblicherweise Stähle verwendet, welche nach dem Presshärtevorgang ein Gefüge aus Ferrit und Perlit aufweisen.
  • Derartige Tailored Welded Blanks sind bereits aus dem Stand der Technik gut bekannt. Insbesondere sind auch als weiche Partnerwerkstoffe eine Vielzahl von Werkstoffen bereits gut bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem in einfacher und kostengünstiger Weise beispielsweise Tailor Welded Blanks geschaffen werden, bei denen der weichere Partner kühlsituationsunabhängig stabile mechanische Kennwerte erreicht.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Es ist eine weitere Aufgabe, einen Werkstoff zu schaffen, der als weicher Partnerwerkstoff in insbesondere Tailor Welded Blanks geeignet ist und der kühlsituationsunabhängig und unabhängig vom Kühlverlauf stabile mechanische Kennwerte sicherstellt.
  • Die Aufgabe wird mit einem Werkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Es ist eine weitere Aufgabe, eine geschweißte Platine zu schaffen, mit einem weicheren Partnerwerkstoff und einem hoch härtbaren Bor-Mangan-Stahl und welche kühlsituationsunabhängig und unabhängig vom Kühlverlauf stabile mechanische Kennwerte sicherstellt.
  • Die Aufgabe wird mit einer geschweißten Platine mit den Merkmalen des Anspruch 13 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird der weichere Partnerwerkstoff bei einem Tailored Welded Blank aus einem Stahl mit einem Dualphasengefüge (DP-Stahl) ausgebildet. Das erfindungsgemäße Dualphasengefüge besteht aus einer ferritischen Matrix mit eingelagerten Martensitinklusionen. Dies erlaubt durch das enorme Verfestigungsvermögen bei gleicher Festigkeit eine deutlich bessere Umformbarkeit im Sinne der Bruchdehnung und damit höhere Energieabsorption als ferritisch-perlitische Gefüge, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Daher sind die Stähle mit einem Dualphasengefüge nach der Erfindung als weicher Partnerwerkstoff sehr gut geeignet.
  • Bekannte Dualphasenstähle sind zum Beispiel aus der EP 2 896 715 B1 bekannt, bei denen ein Dualphasenstahl mit Titanausscheidungshärtung beschrieben wird.
  • Aus der EP 2 290 111 B1 ist ein Dualphasenstahl mit ferritischem Gefüge für Automobile bekannt.
  • Aus der JP 2009/132981 A ist ein ferritischer kaltgewalzter Stahl mit höherer Umformbarkeit bekannt.
  • Aus der WO2017/144419 A1 ist ein pressgehärteter Stahl mit Dualphasengefüge bekannt. Aus der US 2010/0221572 A1 ist ein pressgehärteter Stahl mit einem Gefüge aus Ferrit und Bainit und Martensit bekannt.
  • Aus der DE 10 2014 11 21 26 A1 ist ein mikrolegierter Stahl mit einer gegebenen Kühlratenzahl bekannt.
  • Aus der EP 2 896 715 B1 ist ein Dualphasenstahl mit Titanausscheidungshärtung bekannt.
  • Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass zur Erzielung eines ferritisch-martensitischen Dualphasengefüges beim Presshärten die Perlit- und Bainitbildung derart verzögert werden muss, dass diese Gefügephasen bei den üblichen Kühlraten nicht auftreten. Erfindungsgemäß können, um die Perlit- und Bainitbildung zu verzögern, Mangan, Chrom, Bor und Molybdän zulegiert werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass hierdurch auch die Ferritbildung nach dem vollaustenitischen Glühen im Ofen verzögert wird, was bei kurzen Transferzeiten zwischen Ofen und Presse, hohen Einlegetemperaturen und hohen Kühlraten in der Presse kritisch ist. Hierdurch kann sich ein Gefüge ausbilden, welches aus einer angelassenen-martensitischen Matrix mit wenig Ferrit besteht, welches bei hohen Festigkeiten nur geringe Dehnungen aufweist. Erst bei geringeren Kühlraten in der Presse stellen sich stabile mechanische Kennwerte, unabhängig von der Einlegetemperatur, in der Presse ein.
  • Erfindungsgemäß wird, um eine ausreichende Menge an Ferrit und damit eine ferritische Matrix im Gefüge sicherzustellen, der Werkstoff im Ofen derart geglüht, dass neben Austenit auch Ferrit vorliegt. Somit wird erfindungsgemäß im Ofen interkritisch geglüht. Interkritisch glühen bedeutet, dass der Werkstoff zwischen seiner Ac1 und Ac3 Temperatur geglüht wird.
  • Die nötige Ferritmenge, um eine ferritische Matrix darzustellen, wird während des Kühlens zwischen Ofen und Presse neben der Ferritkeimbildung mit anschließendem Ferritwachstum auch durch das stetige Wachstum des vom interkritischen Glühen vorliegenden Ferrits erzielt.. Erfindungsgemäß muss daher die Ac3-Temperatur für den weichen Partnerwerkstoff hoch gehalten werden, so dass ein interkritisches Glühen überhaupt möglich ist. Erfindungsgemäß wird der Ac3-Wert durch Aluminium erhöht. Erfindungsgemäß wird daher der Dualphasenstahl mit einem erhöhten Aluminiumgehalt ausgebildet. Somit wird ein vollaustenitischer Glühzustand legierungsbedingt verhindert. Die Glühtemperatur wird dabei aufgrund des CMnB-Partnerstahls mit > 800°C festgelegt, so dass dieser Glühwert für das interkritische Glühen als gegeben angenommen werden muss.
  • Üblicherweise beträgt die Ac3-Temperatur von CMnB Stählen in etwa 840 °C. Grundsätzlich besteht somit das Konzept der Erfindung auf einem C-Si-Mn-Cr-Al-Nb/Ti-Legierungskonzept.
  • Der enthaltene Kohlenstoff dient der Anpassung des Festigkeitsniveaus, wobei ein höherer Kohlenstoffgehalt den Ac3-Wert absenkt, die Festigkeit erhöht und die Streckgrenze ebenfalls erhöht. Allerdings nimmt die Dehnung ab, die Ferrit-, Perlit- und Bainitbildung werden verzögert und die Martensitmenge im Gefüge steigt.
  • Die Aufgabe des Mangans ist die Anpassung des Festigkeitsniveaus. Mehr Mangan senkt den Ac3-Wert, zudem erhöht es die Festigkeit und die Streckgrenze. Bei einem höheren Mangangehalt nimmt die Dehnung ab und die Ferrit-, Perlit- und Bainitbildung wird verzögert und die Martensitmenge im Gefüge steigt.
  • Wie bereits ausgeführt, wird bei dem erfindungsgemäßen Konzept Aluminium verwendet, denn mehr Aluminium erhöht den Ac3-Wert, wodurch die Empfindlichkeit auf die Einlegetemperatur in die Presse sinkt. Zudem werden Verbesserungen der Dehnung erzielt, die Martensitmenge im Gefüge sinkt und die Ferritmenge steigt.
  • Silizium hebt bei der erfindungsgemäßen Legierung das Festigkeitsniveau, steigert den Ac3-Wert und verzögert die Perlit- und Bainitbildung.
  • Typische Werte von Ae1-Temperaturen bzw. Ae3-Temperaturen für erfindungsgemäße DP Stähle als auch nicht erfindungsgemäße Legierungen sind in Tabelle 1 angeführt. Diese gerechneten Werte entsprechen im Wesentlichen der Ac1-Temperaturen bzw. Ac3-Temperaturen.
  • Bei den nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird entweder eine zu niedrige Ae1-Temperatur bzw Ae3-Temperatur durch die jeweils gewählte Legierungszusammensetzung erzielt und/oder die gewünschten mechanischen Kennwerte (bsp. durch zu niedrige Siliziumanteile) nicht erreicht.
  • Durch Chrom werden vor allem die Perlit- und Bainitbildung verzögert und die Martensitbildung sichergestellt, so dass Chrom einen großen Einfluss darauf hat, den Dualphasencharakter sicherzustellen.
  • Niob und Titan forcieren die Ferritbildung und haben einen kornfeinernden Einfluss.
  • Somit gelingt es erfindungsgemäß, einen Werkstoff als weicheren Partnerwerkstoff in Form eines Dualphasenstahls zur Verfügung zu stellen, der unabhängig von der Kühlsituation stabile mechanische Kennwerte liefert und somit zu zuverlässig erzeugten und ausgestalteten Tailored Welded Blanks im Presshärte- oder Formhärteverfahren führt.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das Stahlblechbauteil dadurch erzeugt wird, dass eine Platine aus zumindest einem Bereich aus einem hoch härtbaren Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl und zumindest einem Dualphasenstahl kalt umgeformt wird, anschließend erhitzt wird und in einer Abkühlpresse abgeschreckt wird , oder eine Platine aus zumindest einem Bereich aus einem hoch härtbaren Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl und zumindest einem Bereich aus einem Dualphasenstahl auf einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des hoch härtbaren Stahlwerkstoffs aufgeheizt wird und anschließend in einer Umform- und Abkühlpresse mit einem Hub oder mehreren Hüben zu dem Stahlblechbauteil umgeformt wird, wobei als weicherer Werkstoff und als Partner für den hoch härtbaren Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl ein Dualphasenstahl verwendet wird, dessen Ac3-Wert so weit angehoben ist, dass es bei den erforderlichen Glühtemperaturen zum Austenitisieren des Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahls nur zu einer Teilaustenitisierung des Dualphasenstahls kommt, so dass beim Einlegen in die Abkühlpresse der Dualphasenstahl eine ferritische Matrix besitzt, neben der Austenit vorhanden ist.
  • Vorteilhafterweise betragen die Glühtemperaturen > 800°C, bevorzugt 840°C, insbesondere > 870°C jedoch kleiner Ac3 des Dualphasenstahls.
  • Weiterhin vorteilhafterweise beträgt die Haltezeit im Ofen zwischen 0 und 600 Sekunden, bevorzugt 5 und 300 Sekunden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Ac3-Wert des Dualphasenstahls so hoch, dass sich der bei der Haltezeit und der Temperatur einstellender Austenitisierungsgrad zwischen 50 Vol.-% und 90Vol.-% liegt.
  • In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform liegt die Kühlrate beim Überführen des umgeformten Bauteils oder der Platine aus dem Ofen in die Abkühl- und/oder Umformpresse zwischen 5 Kelvin/sec und 500 Kelvin/sec insbesondere 5 Kelvin/sec und 100 Kelvin/sec besonders bevorzugt zwischen 10 Kelvin/sec und 70 Kelvin/sec.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt die Einlegetemperatur in die Presse zwischen 450 und 850°C bevorzgut zwischen 450 und 750°C.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Einlegetemperatur beim Formhärteprozess auf 700 bis 850° C eingestellt wird .
  • Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Einlegetemperatur beim Presshärteprozess auf 400 bis 650°C, bevorzugt 440 bis 600°C und besonders bevorzugt auf 450 bis 520°C eingestellt wird.
  • Vorteilhafterweise beträgt die Kühlrate in der Presse ≥ 10 Kelvin/sec.
  • Es ist besonders vorteilhaft, wenn das als Dualphasenstahl ein Stahl verwendet wird, der 0,5 bis 1,5 % bevorzugt 0,6 bis 1,3 % Aluminium.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Glühtemperatur so eingestellt, dass der Dualphasenstahl interkritisch, also zwischen seiner Ac1 und Ac3 Temperatur geglüht wird.
  • In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Werkstoff die folgende Zusammensetzung in Masse-%:
    • C
    0,02 - 0,12 %,
    Si
    0,01 - 2,0%,
    Mn
    0,5 - 2,0%,
    Cr
    0,3 - 1,0%,
    AI
    0,5 - 1,5%,
    Nb
    < 0,10 %,
    Ti
    < 0,10 %
  • Rest Eisen und unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Es ist erfindungsgemäss, wenn der Werkstoff bei einer Glühtemperatur von 800 bis 950°C und einer Ofenhaltezeit bis 300 Sekunden einen Austenitisierungsgrad von 50 bis 90 % besitzt und nach Abschreckhärtung ein vorhandenes Dualphasengefüge mit ferritischer Matrix und 5 bis 20 % Martensit sowie gegebenenfalls etwas Bainit besitzt.
  • Zudem ist es erfindungsgemäss wenn die Geschweißte Platine mindestens einen Dualphasenstahlwerkstoff und einen hoch härtbaren Stahl, insbesondere einem Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl umfasst, wobei der Dualphasenwerkstoff die folgende Zusammensetzung in Masse-% besitzt:
    • C
    0,02 - 0,12 %,
    Si
    0,01 - 2,0 %,
    Mn
    0,5 - 2,0 %,
    Cr
    0,3 - 1,0 %,
    AI
    0,5 - 1,5 %,
    Nb
    < 0,10 %
    Ti
    < 0,10 %
  • Rest Eisen und unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
    • Figur 1:
    die Dehnung und die Festigkeit von Dualphasengefügen und ferritischperlitischen Gefügen nach dem Stand der Technik;
    Figur 2:
    das Verhalten vollaustenitisch geglühter Dualphasenstähle bei hohen Kühlraten in der Presse, zeigend einmal die Festigkeit, abhängig von der Einlegetemperatur und die Dehnung, abhängig von der Einlegetemperatur, sowie das erzielbare Gefüge;
    Figur 3:
    das Verhalten vollaustenitisch geglühter Dualphasenstähle bei hohen und geringen Kühlraten in der Presse;
    Figur 4:
    den Einfluss des Kohlenstoffs auf die mechanischen Kennwerte, abhängig von der Einlegetemperatur;
    Figur 5:
    Gefügeaufnahmen von Dualphasenstählen mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt;
    Figur 6:
    den Einfluss des Mangans auf die mechanischen Kennwerte;
    Figur 7:
    die Gefügebilder bei unterschiedlichen Mangangehalten;
    Figur 8:
    den Einfluss des Aluminiums auf die mechanischen Kennwerte;
    Figur 9:
    die Gefügeaufnahmen bei unterschiedlichen Aluminiumgehalten;
    Figur 10:
    Einfluss des interkritisch geglühten Aluminium-legierten erfindungsgemäßen Dualphasenstahlkonzeptes im Vergleich zu vollaustenitisch geglühten Kohlenstoff-Mangan-Legierungen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, als Tailored Welded Blank (TWB) zumindest ein üblicherweise ebenes Blechteil aus einem hoch härtbaren Stahlmaterial, wie einem Bor-Mangan-Stahl und insbesondere einem Stahl aus der Familie der 22MnB5 oder 20MnB8 und der gleichen Stähle mit zumindest einem üblicherweise ebenen Blechteil aus einem Dualphasenstahl zu kombinieren.
  • Ein solches kombiniertes Tailored Welded Blank kann dann anschließend im direkten oder indirekten Verfahren ausreichend erhitzt und dann umgeformt werden, oder umgeformt, dann erhitzt und abgeschreckt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein Dualphasenstahl verwendet, der einen vergleichsweise hohen Aluminiumgehalt besitzt. Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass Aluminium die Empfindlichkeit der mechanischen Kennwerte auf die Einlegetemperatur senkt und stark die Empfindlichkeit auf die Kühlrate in der Presse senkt.
  • Einfache Kohlenstoff-Mangan-Legierungen, welche im Ofen vollaustenitisch geglüht werden, weisen bei hohen Kühlraten in der Presse eine starke Abhängigkeit von der Einlegetemperatur auf.
  • Eine erfindungsgemäße Zusammensetzung des Dualphasenstahls lautet wie folgt, wobei alle Prozentangaben in Masse-Prozent angegeben sind:
    • C
    0,02 - 0,12 %, bevorzugt 0,04 - 0,10 %
    Si
    0,05 - 2,0 %, bevorzugt 0,20 - 1,60 % besonders bevorzugt 0,50 - 1,50 %
    Mn
    0,5 - 2,0 %, bevorzugt 0,6 - 1,50 %
    Cr
    0,3 - 1,0 %, bevorzugt 0,45 - 0,80 %
    AI
    0,4 - 1,5 %, bevorzugt 0,50 - 1,30 % besonders bevorzugt 0,60 - 1,20 %
    Nb
    < 0,20 %, bevorzugt 0,01 - 0,10 %
    Ti
    < 0,20 %, bevorzugt 0,01 - 0,10 %
  • Rest Eisen und unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Bei einer Haltezeit im Ofen bis 600 Sekunden, insbesondere bis 300 Sekunden wird bezüglich des Dualphasenstahls lediglich eine Teilaustenitisierung erzielt, bei der für die Austenitisierung des hoch härtbaren Partnermaterials typischen Glühtemperaturen von um 840°C.
  • Der Austenitisierungsgrad, der sich im Dualphasenstahl einstellt, beträgt zwischen 50 und 90 Vol-%, wobei das Zielgefüge ein feiner Dualphasenstahl mit ferritischer Matrix und 5 bis 20 Vol-% Martensit und gegebenenfalls etwas Bainit ist.
  • Das Zielgefüge stellt sich ein, wenn der nachfolgende Kühlverlauf eingehalten wird und dementsprechend bei der Manipulation des Bauteils oder der Platine in die Kühlpresse, also während des Handlings, eine Kühlrate von 5 bis 500 Kelvin/sec eingehalten wird und die Einlegetemperatur in die Kühlpresse 400 bis 850°C bevorzugt 450 bis 750°C beträgt, wobei die Einlegetemperatur in die Kühlpresse beim Formhärteprozess (indirektes Verfahren) auf 700 bis 800°C eingestellt wird.
  • Beim Presshärteprozess (direktes Verfahren), wird die Einlegetemperatur auf 400 bis 650°C, bevorzugt auf 440 bis 600°C und besonders bevorzugt auf 450 bis 520°C eingestellt..
  • Der besondere Effekt, vor allem beim direkten Prozess, also dem Presshärten bei einer Einlegetemperatur von 450 bis 520°C ist, dass sich hierbei das Gefüge optimal einstellen lässt, sodass sich ein besonders Abkühlraten robustes System ergebt.
  • Zusätzlich ergibt sich bei TWB-Platinen bzw. Bauteilen das Erfordernis, dass einerseits die Einlegetemperatur aufgrund des Zielgefüges für den Dualphasenteil nicht zu hoch sein darf und andererseits die Einlegetemperatur nicht zu niedrig sein darf, da ansonsten der Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl unter die Ms-Temperatur fällt.
  • Die Kühlrate in der Presse sollte ≥ 10 Kelvin/sec betragen.
  • Es kann hierfür eine Luftkühlung (etwa 5 Kelvin/sec bis 70 Kelvin/sec Abkühlrate) oder beispielsweise eine Plattenkühlung vorgenommen werden (Abkühlraten von mehr als 80 Kelvin/sec problemlos erzielbar).
  • Die sich ergebenden mechanischen Eigenschaften liegen erfindungsgemäß bei:
    • Rp0,2
    250 bis 500 MPa
    Rm
    400 bis 900 MPa
    A
    ≥ 10 %.
  • In Figur 1 erkennt man die Unterschiede bezüglich des Verhaltens der Dehnung zur Zugfestigkeit Rm bei einem ferritisch-perlitischen Gefüge (grau) und einem Dualphasengefüge (schwarz). Man erkennt, dass ein Dualphasengefüge für die erfindungsgemäßen Zwecke eine sehr gute Eignung aufweist.
  • Bei der Legierungsanpassung kommt es aber nach dem Stand der Technik zu den folgenden Problemen:
    Vollaustenitisch geglühte Dualphasenstähle weisen bei hohen Kühlraten in der Kühlpresse ungünstige Eigenschaften auf. Man erkennt in Figur 2, dass bei zwei unterschiedlichen Stählen, nämlich einmal einem Stahl mit 0,06 % Kohlenstoff und 1,2 % Mangan und einem anderen Dualphasenstahl mit 0,08 % Kohlenstoff und 1,6 % Mangan, abhängig von der Einlegetemperatur, eine sehr große Spannweite bezüglich der Zugfestigkeit Rm besteht, die bei dem Stahl mit weniger Kohlenstoff und weniger Mangan von ca. 550 MPa bis 880 MPa reicht.
  • Auch bei dem Stahl mit höherem Kohlenstoff- und höherem Mangangehalt beträgt die erzielbare Zugfestigkeit etwa 660 MPa bis etwa 920 MPa. Dies bedeutet aber auch, dass bei den variablen Einlegetemperaturen und bei den prozessüblichen Schwankungen bei der Einlegetemperatur mit den bekannten Dualphasenstählen reproduzierbare Festigkeitswerte innerhalb der gewünschten Toleranzen schwierig zu produzieren sind. In gleicher Weise verhält es sich mit dem Rp0,2-Wert, der in vergleichbarer Weise schwankt, so dass diese beiden wichtigen Kennwerte weit davon entfernt sind, im üblichen Prozessfenster sicher in einem überschaubaren Bereich eingehalten werden zu können.
  • Betrachtet man die Dehnung, verhält es sich bei beiden Stählen ähnlich, dass die Dehnungswerte, abhängig von der Einlegetemperatur, so stark schwanken, dass herkömmliche Dualphasenstähle bei den bekannten Prozessfenstern und den bekannten Einlegetemperaturschwankungen als Partner für einen hoch härtbaren Stahl überhaupt nicht infrage kommen. Das Gefüge des niedriger legierten Stahles aus den beiden Grafiken ist dargestellt bei 750° Einlegetemperatur und einer Abkühlrate, die durch Wasserkühlung erzielt wurde.
  • In Figur 3 erkennt man zudem, dass die gezeigten Kennwerte insbesondere beim Abkühlen mit Wasser stark von der Einlegetemperatur und der Kühlrate in der Presse abhängen, wobei auch das Gefüge sich deutlich vom Gefüge nach Figur 2 unterscheidet, da in Figur 2 eine deutliche höhere Kühlrate vorliegt.
  • In Figur 4 erkennt man bei gleichen Mangangehalten und gleichen Aluminiumgehalten den Einfluss des Kohlenstoffs auf die vorgenannten Kennwerte, abhängig von der Einlegetemperatur. Man erkennt, dass mit steigendem Kohlenstoffgehalt die Festigkeit und die Streckgrenze erhöht werden. In Figur 5 erkennt man, dass die Ferritmenge im angegebenen Stahl abhängig von dem Kohlenstoffgehalt bei steigendem Kohlenstoffgehalt sinkt.
  • Bei gleichen Kohlenstoffgehalten und gleichen Aluminiumgehalten erkennt man in Figur 6 und in Figur 8 den Einfluss des Mangans. Bei steigendem Mangangehalt steigen ebenfalls die Festigkeit und die Streckgrenze, während, wie in Figur 7 deutlich sichtbar, die Martensitmenge im Gefüge steigt und die Ferritmenge sinkt.
  • Entscheidend für die Erfindung ist, dass ein steigender Aluminiumgehalt (Figuren 8, 9) die Empfindlichkeit auf die Einlegetemperatur in der Presse absinken lässt. Man erkennt sehr deutlich in Figur 8, dass die Zugfestigkeit von der Einlegetemperatur bei einem höheren Aluminiumgehalt wenig abhängig ist, als bei 0,5 % Aluminium. Noch stärker zeigt sich dieser Effekt bei dem Rp0,2-Wert.
  • Auch, was die Dehnung betrifft, kann hier eine Vergleichmäßigung erzielt werden.. In der Ausschnittsvergrößerung betreffend die Festigkeit, abhängig von der Einlegetemperatur, erkennt man noch einmal sehr deutlich, dass der steigende Aluminiumgehalt zu einer deutlichen Vergleichsmäßigung führt.
  • In Figur 9 erkennt man, dass durch den steigenden Aluminiumgehalt die Ferritmenge deutlich ansteigt. In Figur 10 erkennt man, dass bei voll austenitisch geglühten Kohlenstoff-Mangan-Legierungen die Festigkeit bei hohen Einlegetemperaturen massiv von der Kühlrate in der Presse abhängt, wobei bei interkritisch geglühten aluminiumlegierten Dualphasenkonzepten die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Einlegetemperatur als auch von der Kühlrate der Presse deutlich reduziert ist, wie man dies in den beiden Diagrammen der Figur 10 sieht, wobei links ein nicht-aluminiumlegierter Stahl verwendet wird und rechts ein aluminiumlegierter Dualphasenstahl.
  • Erfindungsgemäß gelingt es daher, um eine ausreichende Menge an Ferrit und damit eine ferritische Matrix im Dualphasengefüge sicherzustellen, im Ofen interkritisch zu glühen, so dass neben Austenit auch Ferrit vorliegt. Die Ac3-Temperatur muss für den weichen Partnerwerkstoff, also den Dualphasenstrahl, hoch gehalten werden, so dass das interkritische Glühen überhaupt möglich ist. Dieser Ac3-Wert wird durch Aluminium erfindungsgemäß erhöht.
  • Bei der Erfindung ist somit von Vorteil, dass die guten Eigenschaften des Dualphasenstahls auf ein Verfahren zum Press- oder Formhärten insbesondere zur Herstellung eines Tailored Welded Blanks übertragen werden können.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils mittels eines Presshärte- oder Formhärteverfahrens, wobei das Stahlblechbauteil dadurch erzeugt wird, dass eine Platine aus zumindest einem Bereich aus einem hoch härtbaren Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl und zumindest einem Dualphasenstahl kalt umgeformt wird, anschließend erhitzt wird und in einer Abkühlpresse abgeschreckt wird , oder eine Platine aus zumindest einem Bereich aus einem hoch härtbaren Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl und zumindest einem Bereich aus einem Dualphasenstahl auf einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des hoch härtbaren Stahlwerkstoffs aufgeheizt wird und anschließend in einer Umform- und Abkühlpresse mit einem Hub oder mehreren Hüben zu dem Stahlblechbauteil umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    als weicherer Werkstoff und als Partner für den hoch härtbaren Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl ein Dualphasenstahl verwendet wird, dessen Ac3-Wert so weit angehoben ist, dass es bei den erforderlichen Glühtemperaturen zum Austenitisieren des Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahls nur zu einer Teilaustenitisierung des Dualphasenstahls kommt, so dass beim Einlegen in die Abkühlpresse der Dualphasenstahl eine ferritische Matrix besitzt, neben der Austenit vorhanden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Glühtemperaturen > 800°C, bevorzugt 840°C, insbesondere > 870°C jedoch kleiner Ac3 des Dualphasenstahls betragen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Haltezeit im Ofen zwischen 0 und 600 Sekunden, bevorzugt 5 und 300 Sekunden beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Ac3-Wert des Dualphasenstahls so hoch ist, dass sich der bei der Haltezeit und der Temperatur einstellender Austenitisierungsgrad zwischen 50 Vol.-% und 90Vol.-% liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlrate beim Überführen des umgeformten Bauteils oder der Platine aus dem Ofen in die Abkühl- und/oder Umformpresse zwischen 5 Kelvin/sec und 500 Kelvin/sec insbesondere 5 Kelvin/sec und 100 Kelvin/sec besonders bevorzugt zwischen 10 Kelvin/sec und 70 Kelvin/sec liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einlegetemperatur in die Presse zwischen 450 und 850°C bevorzgut zwischen 450 und 750°C liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einlegetemperatur beim Formhärteprozess auf 700 bis 850° C eingestellt wird .
  8. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einlegetemperatur beim Presshärteprozess auf 400 bis 650°C, bevorzugt 440 bis 600°C und besonders bevorzugt auf 450 bis 520°C eingestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlrate in der Presse ≥ 10 Kelvin/sec beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das als Dualphasenstahl ein Stahl verwendet wird, der 0,5 bis 1,5 % bevorzugt 0,6 bis 1,3 % Aluminium enthält.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Glühtemperatur so eingestellt ist, dass der Dualphasenstahl interkritisch, also zwischen seiner Ac1 und Ac3 Temperatur geglüht wird.
  12. Dualphasenstahlwerkstoff als zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Werkstoff die folgende Zusammensetzung in Masse-% besitzt:
    C 0,02 - 0,12 %,
    Si 0,01 - 2,0 %,
    Mn 0,5 - 2,0 %,
    Cr 0,3 - 1,0 %,
    AI 0,5 - 1,5 %,
    Nb < 0,10 %,
    Ti < 0,10 %
    Rest Eisen und unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Werkstoff bei einer Glühtemperatur von 800 bis 950°C und einer Ofenhaltezeit bis 300 Sekunden einen Austenitisierungsgrad von 50 bis 90 % besitzt und nach Abschreckhärtung ein vorhandenes Dualphasengefüge mit ferritischer Matrix und 5 bis 20 % Martensit sowie gegebenenfalls etwas Bainit besitzt.
  13. Geschweißte Platine umfassend mindestens einen Dualphasenstahlwerkstoff und einen hoch härtbaren Stahl, insbesondere einem Kohlenstoff-Mangan-Bor-Stahl,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dualphasenwerkstoff die folgende Zusammensetzung in Masse-% besitzt:
    C 0,02 - 0,12 %,
    Si 0,01 - 2,0 %,
    Mn 0,5 - 2,0 %,
    Cr 0,3 - 1,0 %,
    AI 0,5 - 1,5 %,
    Nb < 0,10 %
    Ti < 0,10 %
    Rest Eisen und unvermeidliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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