WO2011000351A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils aus einem lufthärtbaren stahl und ein damit hergestelltes bauteil - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines bauteils aus einem lufthärtbaren stahl und ein damit hergestelltes bauteil Download PDF

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Uwe Eggers
Cord SCHÄFFNER
Joachim SCHÖTTLER
Friedrich Luther
Stefan MÜTZE
Manuel Otto
Thorsten Reier
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from an air-hardenable steel with excellent forming properties, in particular for the lightweight vehicle construction, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a component produced by the method according to the invention.
  • a component is understood to be a component produced from a sheet metal blank or tube by forming by means of a forming tool.
  • Material properties can be realized. After the cold forming, or shaping, then the air quenching state can be adjusted by means of a subsequent heat treatment.
  • air-hardenable steels are known which can be used in principle for vehicle components.
  • DE 10 2004 053 620 A1 a further developed air-hardenable steel with excellent forming and welding properties with the following composition is known (contents in% by mass): C 0.07 to ⁇ 0.15
  • Forming tool to be produced is known from DE 601 19 826 T2.
  • a previously blank on blank 800-1200 0 C heated and provided with a metallic coating of zinc or based on zinc sheet metal blank formed in a case-by-cooled forming tool to form a component, during the forming by rapid removal of heat, the sheet or component in Forming learns a quench hardening (press hardening) and thereby achieved the required strength properties.
  • the invention therefore an object of the invention to provide a method for the production of components made of air-hardenable steels by means of a forming tool, with which the required mechanical properties of the formed component can be safely met while dispensing with a final annealing. According to the teachings of the invention, this object is achieved by a method in which a
  • Component made of an air-hardenable steel consisting of the elements (contents in% by mass):
  • Residual iron including conventional steel-accompanying elements is produced, wherein a hot or cold rolled steel sheet or steel pipe blank to a temperature of
  • ZUSC hn itt heated and 800-1050 0 C and then in a forming tool to a
  • AI and Si do not necessarily have to be alloyed with the steel, but can be used as
  • C is always contained in the steel, but the C content should be limited to ⁇ 0.20%, particularly with regard to weldability.
  • the method according to the invention has the advantage that using an air-hardenable steel with correspondingly slow cooling in the forming tool and subsequent air cooling to subsequent costly annealing to achieve the required elongation values in the component can be waived.
  • a higher formability can be achieved due to a better deformation behavior of heated blanks, since the blanks can be further transformed using the residual heat, and so more complex geometries compared to the known method are possible.
  • the residual heat which has the component after removal, also has an advantageous effect on directly subsequent cutting operations, since the cutting forces with increasing
  • Hot forming plants can be used by vehicle manufacturers and suppliers and thus the manufacturing costs compared to the known method for processing luftvergütbarer materials are reduced. Compared with the usual boron-manganese steels, the shorter tool application times during hot forming are also positive.
  • the component of the air-hardenable material according to the inventive method is heated to about 95O 0 C, then in the Inserted forming tool and removed directly after the forming at about 73O 0 C the tool and cooled in air.
  • the components according to the invention also have a high dimensional stability, wherein the material composition for the air-hardenable steel is chosen so that in the deformed and air-hardened state excellent weldability is ensured in the further processing.
  • Chassis parts made of air-hardenable steel are produced inexpensively.
  • the blank used for hot forming a strip or tube may already be provided with a metallic coating, the z. B. of zinc or aluminum or of corresponding alloys based on zinc or aluminum.
  • Si may be contained in contents of 8 to 12%.
  • the metallic coating of the hot or cold strip or the tube produced therefrom is usually applied in a continuous hot dip process

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem lufthärtbaren Stahl. Der Stahl besteht aus den Elementen (Gehalte in Masse-%): C ≤ 0,20; Al ≤ 0,08; Si ≤ 1,00; Mn 1,20 bis ≤ 2,50; P ≤ 0,020; S ≤ 0,015; N ≤ 0,0150; Cr 0,30 bis ≤ 1,5; Mo 0,10 bis ≤ 0,80; Ti 0,010 bis ≤ 0,050; V 0,03 bis ≤ 0,20; B 0,0015 bis ≤ 0,0060; Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente. Verfahrensgemäß wird ein warm- oder kaltgewalzter Stahlblech- oder Stahlrohrabschnitt auf eine Temperatur von δZuschnitt = 800 bis 1050 °C erwärmt und anschließend in einem Umformwerkzeug zu einem Bauteil geformt. Nach Entnahme aus dem Werkzeug wird an Luft abgekühlt, wobei nach der Entnahme aus dem Umformwerkzeug das Bauteil noch eine Temperatur oberhalb δEntnahme = 200 °C und unterhalb von 800 °C aufweist und während der Abkühlung an der Luft die geforderten mechanischen Eigenschaften erreicht.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem lufthärtbaren Stahl und ein damit hergestelltes Bauteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem lufthärtbaren Stahl mit ausgezeichneten Umformeigenschaften, insbesondere für den Fahrzeugleichtbau, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil.
Unter Bauteil wird im Folgenden ein aus einer Blechplatine oder Rohr durch Umformen mittels eines Umformwerkzeuges hergestelltes Bauteil verstanden.
Der heiß umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller
Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle, andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer
Beanspruchung im Betrieb wie auch im Crashfall.
Dieser Notwendigkeit versuchen die Lieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitstellung hoch- und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei der Fertigung und im Betrieb. Derartige Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Verarbeitbarkeit beispielsweise durch Kaltumformen, Schweißen und/oder Korrosionsbeständigkeit genügen.
Zur Gewährleistung der Korrosionsbeständigkeit kommen metallische Überzüge aus Zink, Aluminium oder entsprechende Legierungen auf Basis von Zink oder Aluminium, die weitere Legierungselemente wie Mg oder Si enthalten können, in Frage. Neben den beschriebenen allgemeinen Anforderungen sind für höchstfeste Stähle beispielhaft folgende mechanischen Kennwerte zu erreichen: rtβi bzw. Rpol2: 700 - 1000 [MPa]
Rm: 800 - 1200 [MPa]
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A5: ≥ 13 [%]
In der Vergangenheit sind für den Anwendungsbereich der crash- und gewichtsoptimierten Bauteile meist konventionelle Stähle mit relativ großer Blechdicke, wasservergütete hochfeste Feinkomstähle, Mehrphasenstähle oder alternative Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt worden.
Der Nachteil konventioneller Stähle ist ihr hohes Bauteilgewicht. Nachteile alternativer höchstfester Mehrphasenstähle sind die schlechte Schweißeignung und Umformbarkeit infolge der hohen Grundhärte. Wasservergütete Stähle sind in der Herstellung teuer und damit unwirtschaftlich.
Als Alternative wurden luftvergütbare Stahlwerkstoffe entwickelt, die die Nachteile bekannter Stähle dadurch überwinden, dass nun allein durch die Abkühlung des Stahls an Luft, beispielsweise nach einer Wärmebehandlung des Bauteils, die geforderten
Werkstoffeigenschaften realisiert werden. Nach der Kaltumformung, bzw. Formgebung, kann dann der Luftvergütungszustand mittels einer nachträglichen Wärmebehandlung eingestellt werden.
Aus der DE 102 21 487 B4, der EP 0 576 107 B1 und der DE 4446 709 A1 sind lufthärtbare Stähle bekannt, die für Fahrzeugbauteile grundsätzlich einsetzbar sind. Aus der DE 10 2004 053 620 A1 ist ein weiter entwickelter lufthärtbarer Stahl mit hervorragenden Umform- und Schweißeigenschaften mit folgender Zusammensetzung bekannt (Gehalte in Masse %): C 0,07 bis < 0,15
AI < 0,05
Si 0,15 bis < 0,30
Mn 1 ,60 bis < 2,10 P < 0,020
S < 0,010
N < 0,0150
Cr 0,50 bis < 1,0
Mo 0,30 bis < 0,60
Ti 0,010 bis < 0,050
V 0,12 bis < 0,20
B 0,0015 bis < 0,0040
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente.
Die Herstellung von Bauteilen, die durch Abschreckung von presshärtbaren Stählen in einem
Umformwerkzeug hergestellt werden, ist aus der DE 601 19 826 T2 bekannt. Hier wird eine zuvor auf Zuschnitt = 800-12000C erwärmte und mit einem metallischen Überzug aus Zink oder auf Basis von Zink versehene Blechplatine in einem fallweise gekühlten Umformwerkzeug zu einem Bauteil umgeformt, wobei während des Umformens durch schnellen Wärmeentzug das Blech bzw. Bauteil im Umformwerkzeug eine Abschreckhärtung (Presshärtung) erfährt und dadurch die geforderten Festigkeitseigenschaften erreicht.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass zum Erreichen einer angestrebten
Bruchdehnung das Bauteil einer nachträglichen Glühung unterzogen werden muss. Dies ist aufwändig und teuer und senkt darüber hinaus die Festigkeit des so gehärteten Bauteils wieder ab.
Außerdem wurde bei diesen Versuchen erkannt, dass Bauteile aus lufthärtbaren Stählen mit dem aus der DE 601 19 826 T2 bekannten Verfahren nicht herstellbar sind, da durch den Abschreckvorgang die geforderte Dehnung im umgeformten Bauteil ebenfalls nicht erreicht wird.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Herstellung von Bauteilen aus lufthärtbaren Stählen mittels eines Umformwerkzeuges anzugeben, mit dem die geforderten mechanischen Eigenschaften am umgeformten Bauteil unter Verzicht auf eine abschließende Glühung sicher eingehalten werden können. Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein
Bauteil aus einem lufthärtbaren Stahl, bestehend aus den Elementen (Gehalte in Masse-%):
C < 0,20
AI < 0,08
Si < 1,00
Mn 1 ,20 bis < 2,50
P < 0,020
S < 0,015
N < 0,0150
Cr 0,30 bis < 1,5
Mo 0,10 bis < 0,80
Ti 0,010 bis < 0,050
V 0,03 bis < 0,20
B 0,0015 bis < 0,0060
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente, hergestellt wird, wobei ein warm- oder kaltgewalzter Stahlblech- oder Stahlrohrzuschnitt auf eine Temperatur von
Zuschnitt = 800 bis 10500C erwärmt und anschließend in einem Umformwerkzeug zu einem
Bauteil umgeformt wird und nach Entnahme aus dem Werkzeug an Luft abkühlt und wobei nach der Entnahme aus dem Umformwerkzeug das Bauteil noch eine Temperatur oberhalb von Entnahme = 200°C und unterhalb von 8000C aufweist und nach der Abkühlung an Luft die geforderten mechanischen Eigenschaften erreicht.
AI und Si müssen dem Stahl nicht zwingend zulegiert werden, können jedoch als
stahlbegleitende Elemente enthalten sein. C ist im Stahl immer enthalten, der C-Gehalt sollte jedoch insbesondere im Hinblick auf die Schweißbarkeit auf < 0,20 % begrenzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem aus der DE 601 19 826 T2 bekannten Verfahren zur Herstellung eines Bauteils den Vorteil auf, dass unter Verwendung eines lufthärtbaren Stahls bei entsprechend langsamer Abkühlung im Umformwerkzeug und anschließender Luftabkühlung auf eine nachträgliche kostenaufwändige Glühung zur Erreichung der geforderten Dehnungswerte im Bauteil verzichtet werden kann. Außerdem ist auf diese Weise ein höheres Formänderungsvermögen aufgrund eines besseren Umformungsverhaltens von erwärmten Zuschnitten zu erreichen, da die Zuschnitte unter Nutzung der Restwärme weiter umgeformt werden können, und so komplexere Geometrien gegenüber dem bekannten Verfahren möglich sind.
Die Restwärme, die das Bauteil nach der Entnahme aufweist, wirkt sich auch vorteilhaft auf direkt anschließende Schnittoperationen aus, da die Schnittkräfte mit steigenden
Werkstücktemperaturen sinken. Auch sind bei der Warmumformung des Werkstücks deutlich geringere Pressenkräfte als bei der Kaltumformung erforderlich.
Zur Vermeidung einer frühzeitigen Aufhärtung im Umformwerkzeug kann es fallweise erforderlich sein, das Umformwerkzeug mit einer Heizung zu versehen, um unter
Berücksichtigung der Dauer des Umformvorgangs die gewünschte langsame Abkühlung im Umformwerkzeug zu realisieren. Zur Einhaltung einer angestrebten Mindestdehnung von /A5≥13% und Zugfestigkeiten von Rm = 800 - 1200 MPa haben sich durchschnittliche
Abkühlgeschwindigkeiten von d77df < 150K/S bei einem Umformvorgang mit einer Dauer von r < 5s im Umformwerkzeug als günstig erwiesen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat außerdem den Vorteil, dass bestehende
Warmumformanlagen bei den Fahrzeugherstellern und Zulieferern genutzt werden können und dadurch die Fertigungskosten gegenüber dem bekannten Verfahren zur Verarbeitung luftvergütbarer Werkstoffe reduziert werden. Gegenüber den üblichen Bor-Mangan-Stählen treten auch die kürzeren Werkzeugbelegungszeiten beim Warmumformen positiv hervor.
In der als Anlage dargestellten einzigen Figur ist der prinzipielle Verfahrensablauf bei der Warmumformung von lufthärtbaren Stählen mit der angegebenen
Legierungszusammensetzung dargestellt. Die Temperaturverläufe für das konventionelle Umformen presshärtbarer Stähle und das erfindungsgemäße Verfahren für lufthärtbare Stähle kennzeichnen die wesentlichen Unterschiede. Deutlich wird die bei lufthärtbaren Stählen kürzere Belegungszeit der Umformpresse für einen Prozesstakt, was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens auswirkt.
Im vorliegenden Beispiel wird das Bauteil aus dem lufthärtbaren Werkstoff entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren auf ca. 95O0C erwärmt, anschließend in das Umformwerkzeug eingelegt und direkt nach der Umformung bei ca. 73O0C dem Werkzeug entnommen und an Luft abgekühlt.
Die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile weisen außerdem eine hohe Maßhaltigkeit auf, wobei die Werkstoffzusammensetzung für den lufthärtbaren Stahl so gewählt ist, dass im umgeformten und luftgehärteten Zustand eine hervorragende Schweißbarkeit bei der Weiterverarbeitung gesichert ist.
Gegenüber dem bekannten Herstellverfahren ist im Hinblick auf verbesserte mechanische Eigenschaften (hohe Dehnung bei gleichzeitig hoher Festigkeit) ein deutlich breiteres Produktspektrum möglich. Beispielsweise können mit diesem Verfahren jetzt auch
Fahrwerksteile aus lufthärtbarem Stahl kostengünstig hergestellt werden.
Erfindungsgemäß kann der zum Warmumformen eingesetzte Zuschnitt eines Bandes oder Rohres bereits mit einem metallischen Überzug versehen sein, der z. B. aus Zink oder Aluminium oder aus entsprechenden Legierungen auf Basis von Zink oder Aluminium bestehen kann. In Legierungsüberzügen aus einer Aluminiumlegierung kann beispielsweise Si in Gehalten von 8 bis 12% enthalten sein.
Der metallische Überzug des Warm- oder Kaltbandes bzw. des daraus hergestellten Rohres wird üblicherweise im kontinuierlichen Schmelztauchverfahren aufgebracht
(Feuerverzinkung, Feueraluminierung), anschließend wird das Band oder Rohr für das Umformwerkzeug passend zugeschnitten. Allerdings ist es auch möglich, das jeweils umzuformende Werkstück (Zuschnitt) mit einem Schmelztauchüberzug zu versehen.
Das Aufbringen eines metallischen Überzugs vor dem Warmumformen ist von großem Vorteil, weil durch den Überzug eine Verzunderung des Grundmaterials und durch die Schmierwirkung übermäßiger Werkzeugverschleiß wirksam vermieden werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend noch einmal aufgeführt", keine nachgeschaltete Wärmebehandlung erforderlich,
höhere Festigkeiten im Vergleich zu den bekannten Verarbeitungsverfahren, höheres Formänderungsvermögen im Vergleich zur Kaltformgebung bzw. zum direkten Presshärten von Bor-Mangan-Stählen,
geringere Umformkräfte im Vergleich zur Kaltformgebung,
bestehende Anlagen für die Warmumformung (Presshärten) bleiben nutzbar, kürzere Werkzeugbelegung im Vergleich zum Presshärten,
hohe Maßhaltigkeit,
sehr gute Schweißbarkeit,
gute Beschichtbarkeit mit den üblichen Beschichtungsverfahren, wie kathodische
Tauchlackierung (KTL), Feuerverzinkung, Feueraluminierung und
Hochtemperaturverzinkung,
Einsatzmöglichkeit für geschweißte, statisch und dynamisch hoch belastete Bauteile.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem lufthärtbaren Stahl bestehend aus den Elementen (Gehalte in Masse-%):
C < 0,20
AI < 0,08
Si < 1 ,00
Mn 1,20 bis < 2,50
P < 0,020
S < 0,015
N < 0,0150
Cr 0,30 bis < 1,5
Mo 0,10 bis < 0,80
Ti 0,010 bis < 0,050
V 0,03 bis < 0,20
B 0,0015 bis < 0,0060
Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente, wobei ein warm- oder kaltgewalzter Stahlblech- oder Stahlrohrzuschnitt auf eine Temperatur von
Zuschnitt = 800 bis 10500C erwärmt und anschließend in einem Umformwerkzeug zu einem Bauteil umgeformt wird und nach Entnahme aus dem Umformwerkzeug an Luft abkühlt, wobei nach der Entnahme aus dem Umformwerkzeug das Bauteil noch eine Temperatur oberhalb Entnahme = 2000C und unterhalb von 8000C aufweist und während der Abkühlung an Luft eine Härtung erfolgt, wodurch die geforderten mechanischen Eigenschaften erreicht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass das Umformwerkzeug zur Begrenzung der Abkühlgeschwindigkeit während des Umformens beheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet,
dass die mittlere Abkühlgeschwindigkeit im Umformwerkzeug höchstens
d77df = 150K/S während des Umformvorgangs beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bauteil unmittelbar nach der Entnahme aus dem Umformwerkzeug unter Ausnutzung der Restwärme einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4
dadurch gekennzeichnet,
dass am Bauteil umformende oder Schneidoperationen ausgeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5
dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem Umformen der warm- oder kaltgewalzte Stahlblech- oder
Stahlrohrzuschnitt mit einem metallischen Überzug versehen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5
dadurch gekennzeichnet,
dass das für den Zuschnitt verwendete Stahlband oder Stahlrohr in einem
kontinuierlichen Prozess mit einem metallischen Überzug versehen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7
dadurch gekennzeichnet,
dass der metallische Überzug aus Zink und/oder Aluminium oder einer Legierung auf Basis von Zink oder Aluminium besteht.
9. Bauteil aus luftvergütbarem Stahl hergestellt nach mindestens einem der
Verfahrensansprüche 1 - 8
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