WO2018219412A1 - Blechumformbauteil sowie verfahren zur herstellung des blechumformbauteils - Google Patents

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martensite
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metal forming
forming component
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Andreas Tomitz
Anastasia Viviana HÖHNE
Karin SCHRADER
Markus Kettler
Karsten Bake
Georg Frost
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Benteler Automobiltechnik Gmbh
Thyssenkrupp Steel Europe Ag
thyssenkrupp Hohenlimburg GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a sheet metal forming component produced by hot forming and press hardening according to the features in the preamble of claim 1.
  • the present invention further relates to a method for producing the Blechumformbauteils according to the features in claim 7 and a method for producing a metallic semi-finished product according to the features in claim 8.
  • a method for producing the Blechumformbauteils according to the features in claim 7
  • a method for producing a metallic semi-finished product according to the features in claim 8.
  • sheet metal blanks are converted by means of conventional forming processes, such as deep drawing, to form a three-dimensionally shaped component.
  • Such sheet metal forming components are used significantly in the automotive industry and here as motor vehicle components. Consequently, for the purposes of this invention, sheet metal forming components are to be understood as automotive components.
  • motor vehicles In the case of motor vehicles, a distinction is made among other motor vehicle structural components, from which in particular a self-supporting motor vehicle body is produced. These include known automotive pillars, an A-pillar or B-pillar, side members, cross members, roof rails, sills, transmission tunnel or similar components. It is also possible to produce body shell components of the motor vehicle, for example a bonnet, a roof outer skin or also a door outer skin. Also attachments or crash components can be made, which are for example a crash box, a bumper cross member or the like.
  • the sheet-metal forming components produced by hot forming and press-hardening for example of 22MnB5 grade steel, have good strength and ductility properties.
  • the sheet metal forming component according to the invention is produced by hot forming and press hardening.
  • the sheet metal forming component is made of a hardenable, one-piece and material-uniform steel alloy. It is thus not a clad material, but a material that is integrally formed in one piece and material uniform.
  • the sheet metal forming component has a tensile strength Rm greater than 1200 MPa, in particular greater than 1350 MPa.
  • the Blechumformbauteil also has a bending angle greater than 60 ° at a wall thickness of 0.5 to 1, 5 mm. With a larger wall thickness of 1, 5 to 2.5 mm, the sheet metal forming component has a bending angle greater than 45 °.
  • the tensile strength should not exceed 2500MPa.
  • the bending angle is determined in the platelet bending test according to VDA 238-100: 2010, with a yield strength Rp0.2 of greater than 900 MPa.
  • the sheet metal forming component is now characterized in that, starting from both surfaces, layered martensite layers or martensite layers are respectively formed. Consequently, adjacent martensite layers with different properties are formed over the sheet thickness or wall thickness of an upper side and a lower side of the three-dimensionally formed sheet metal forming component. These are alternately more ductile and harder martensite layers. The ductile martensite layer is always on the surface or outside.
  • the aforementioned sheet-metal forming component is produced from a hot-rolled product, also referred to below as semi-finished product.
  • the hot rolled product is made in one piece and made of the same material. However, it has various layers in the material structure after completion of the rolling process.
  • the layers can also be referred to as layers.
  • the layers are in particular formed flat and preferably extend over the entire surface of the semi-finished product provided, but at least over the entire bandwidth.
  • the semifinished product is preferably provided in the form of a circuit board.
  • the respective outer layer is formed as a ferrite layer in the semifinished product.
  • This in turn preferably has a thickness of 4 to 140 pm. Consequently, an outer ferrite layer is formed on the upper side and the lower side of the semi-finished product.
  • a pearlite layer is formed, preferably with a thickness of 4 to 25 ⁇ m. Thereafter, in each case further ferrite and pearlite layers adjoin each other via the strip thickness or wall thickness. The layers always span the entire bandwidth.
  • an outer low-carbon martensite layer and a carbon-rich martensite layer underneath can be produced, since the fast heating does not cause diffusion compensation between the ferritic and pearlitic layers.
  • the outer ferrite layer is converted to a martensite layer which has lower strength but high ductility at the same time.
  • the underlying pearlite layer is converted to a martensite layer with higher strength but reduced ductility.
  • At least three, in particular at least five and particularly preferably at least seven layers of martensite are preferably formed over the wall thickness.
  • a difference in strength between martensite layer having higher strength but reduced ductility and the martensite layer having lower strength but higher ductility is at least 100 to 300 MPa. That is, the higher strength martensite layer is at least 100 to 300 MPa thicker than the martensite layer having greater ductility but lower strength.
  • the delta between the different martensitic layers of different strength should not exceed about 1,000 MPa. It can further be provided to form the outermost layer as edge-decarburized layer by additional targeted edge decarburization of the semifinished product, which has a very low carbon content.
  • the existing, very low-carbon ferritic material structure is not or only to a small extent converted into martensite during press hardening, so that it has a significantly lower strength.
  • the edge-decarburized layer has a substantially ferritic material structure. In comparison with the martensite layer with higher strength and reduced ductility, the difference in strength can be up to 1, 000 MPa.
  • a Randentkohlung can be performed.
  • the ductility in the edge region is increased again in the produced sheet metal forming component with preferably constant strength.
  • the edge decarburization preferably takes place after the hot rolling of the sheet metal strip.
  • the respective outer layer on the Blechumformbauteil thus the outer martensite layer, a layer thickness of 4 to 140 pm, preferably from 10 to 140 pm, in particular from 14 to 140 pm.
  • this edge decarburization is in each case extending externally from the surface into the sheet metal forming component and thus included in the aforementioned layer thickness of the outer layer, or the edge-decarburized layer can also form the outer layer.
  • edge decarburization in a layer of 10 to 140 ⁇ m, preferably 20 to 100 ⁇ m, from the surface may extend into the sheet metal forming component, in particular into the outer martensite layer.
  • Hardenable steel alloys for example 22MnB5 or else MBW 1900 or MBW 1500, can be used to produce the sheet metal forming component according to the invention. These are manganese boron steels. Preferably, these have the following modification.
  • the targeted cooling in a cooling section after the last roll stand makes it possible to set a layered structure of ferrite and pearlite over the strip thickness, starting from the surface. Due to the downstream rapid heating, hot forming and press hardening, this converts into corresponding martensite layers with mutually different strength properties. In particular, in the ferrite layer and pearlite layer, a fine martensite structure having locally different carbon contents is generated.
  • the rapid heating in less than 1 min., Preferably less than 30s, most preferably less than 20s with a heating rate of more than 30K / s, in particular greater than 50K / s, from room temperature to over AC3 temperature in the invention preferably carried out by contact heating.
  • contact plates are applied on one side or on both sides to the semi-finished product, thus to the circuit board.
  • the contact plates have a higher temperature, so that due to heat conduction, the higher temperature of the contact plates is delivered to the semifinished product to be heated.
  • an inductive heating, heating by burner flame or infrared is possible.
  • the use of contact heating technology makes it possible, as it were, to temper only partial areas.
  • the present invention further relates to a method for producing a sheet metal forming component with the following method steps:
  • a hot rolled product is used as the metallic semi-finished product, which is produced by the method described below:
  • the hot rolling can be carried out with the following process parameters:
  • the so-hot-rolled and cooled steel strip especially in outer layers, has the ferrite and pearlite structure according to the invention which, in a downstream hot working and press hardening process, provides improved ductility of the produced sheet metal forming component as compared to a conventionally hot worked and press hardened steel with prior rapid heating.
  • FIG. 1 shows an assembly sequence for the production of a semifinished product according to the invention and for further processing into a sheet-metal forming component produced according to the invention
  • Figure 2 is a partial sectional view through a semifinished product according to the invention.
  • 3 a to c are each a partial sectional view through a sheet metal forming component produced according to the invention.
  • FIG. 4 shows a sheet metal forming component produced according to the invention
  • Figure 5 is a partial sectional view through an inventive
  • FIG. 1 shows a production method according to the invention.
  • a slab 2 made of a hardenable steel alloy is provided, which is heated in an oven 14 and then passed through a rolling line 3.
  • the furnace 14 has a temperature Ti which is greater than 1200 ° C.
  • the rolled steel sheet strip 5 has a rolling end temperature. It is then passed through a cooling section 6.
  • the cooled steel sheet strip 7 has a reel temperature to be subsequently compatibilcoilt on a coil unit 8.
  • the bandwidth B extends into the image plane.
  • the hot rolled product can also be a correspondingly separated circuit board 9 in accordance with the next method step.
  • a decoiling process not shown, the steel sheet strip 7 is fed to a separation plant 10.
  • the individual boards 9 are then subjected according to the invention a rapid heating in a tempering 1 1 and heated to over Austenitmaschinestemperatur.
  • 1 1 contact plates 12 are arranged in the tempering, which come into contact with the board 9 to be heated.
  • the heated board 9 is transferred to a hot forming and press hardening tool 13 and hot worked and press hardened. After completion of the press hardening process, the sheet metal forming component 1 produced according to the invention is obtained.
  • FIG. 2 shows an excerpted cross section of the semifinished product or of the individualized board 9 before heating, and therefore prior to austenitizing.
  • the board 9 has a total wall thickness, hereinafter called wall thickness W, which is preferably from 0.5 to 2.5 mm. From a respective outer surface 15, 16 of the wall thickness W alternately several layers of ferrite and perlite are arranged one above the other. The ferrite and pearlite layers are arranged directly adjacent. Beyond the wall thickness W, the board 9 or the semi-finished product is formed in one piece and of uniform material.
  • the respective outer ferrite layer 17 preferably has a thickness D17 of 4 pm to 140 pm.
  • the outer ferrite layer 17 then forms in each case also the surface 15, 16 of the circuit board 9.
  • a pearlite layer 18 is disposed below the ferrite layer 17.
  • the pearlite layer 18 preferably has a thickness D18 of 4 pm to 25 pm. Alternate then follow further ferrite layers 19, again followed by a respective pearlite layer 20. These may each have a thickness of 4 pm to 25 pm.
  • FIG. 3 a shows the partial section according to FIG. 2 from the sheet metal forming component 1 already produced. Consequently, heating, hot forming and press hardening have taken place.
  • the individual layers are further formed over the wall thickness W.
  • the structure has changed into martensite.
  • the previous ferrite layers have been converted to martensite layers 21 having lower strength and high ductility in relation to martensite layer 22 described below.
  • the underlying pearlite layers 18, as viewed from the surface 15, 16, as well as the perlite layers 20 also located further inside, have been converted into martensite layers 22 of higher strength and lower ductility. Further inwardly, successive martensite layers 21 of lower strength and higher ductility and martensite layers 22 of higher strength and lower ductility are then alternately arranged.
  • FIG. 3b shows an analog partial section to FIG. 3a, wherein here in each case a layer 26, each formed by edge decarburization, is present in each case outside.
  • This essentially has a ferritic material structure, or the layers 26 can also consist entirely of ferrite.
  • the edge decarburized layer 26 then passes into the outer martensite layer 21 having low strength but higher ductility.
  • the randentkohlte layer 26 form the entire outer layer. This is followed directly by the martensite layer 22 with higher strength. This is shown in FIG. 3c.
  • FIG. 4 shows a sheet-metal forming component 1 produced according to the invention as a motor vehicle component and specifically as a motor vehicle pillar.
  • This Blechumformbauteil 1 has, for example, a lower foot area 23, an overhead roof connection area 24 and an intermediate central portion 25.
  • the central portion 25 may have a smaller wall thickness W25 than, for example, the foot region 23.
  • a partial longitudinal sectional view along section line AA is shown in FIG. It can be seen that the wall thickness W23 in the foot region 23 is smaller than the wall thickness W25 in the middle section 25.
  • the individual martensite layers are also formed in the region of lesser wall thickness. The individual layers are produced, for example, by flexible cold rolling of the blank 9 or of the cooled steel sheet strip 7.
  • the ferrite and pearlite layers are compressed and have a smaller thickness, but the same number over the wall thickness W.
  • the individual martensite layers are then formed in the smaller wall thickness with the same number, but with a smaller thickness.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Blechumformbauteil, hergestellt durch Warmumformen und Presshärten aus einer härtbaren einstückigen und werkstoffeinheitlichen Stahllegierung, wobei das Blechumformbauteil (1) eine Zugfestigkeit größer 1200MPa, insbesondere größer 1350MPa aufweist und einen Biegewinkel größer 60° bei einer Wandstärke von 0,5 bis 1,5mm oder einen Biegewinkel größer 45° bei einer Wandstärke von 1,5 bis 2,5mm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Blechumformbauteil mehrere übereinander liegende Martensitschichten ausgebildet sind, wobei eine jeweils an dem Blechumformbauteil außenliegende Martensitschicht eine höhere Duktilität aufweist als eine darunter liegende Martensitschicht.

Description

Blechumformbauteil sowie Verfahren zur Herstellung des
Blechumformbauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechumformbauteil, hergestellt durch Warmumformen und Presshärten gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1 .
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des Blechumformbauteils gemäß den Merkmalen im Anspruch 7 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Halbzeugs gemäß den Merkmalen im Anspruch 8. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Blechumformbauteile herzustellen. Hierzu werden Blechplatinen mittels gängigen Umformverfahren, beispielsweise Tiefziehen, zu einem dreidimensional geformten Bauteil umgeformt. Solche Blechumformbauteile werden maßgeblich in der Kraftfahrzeugindustrie und hier als Kraftfahrzeugbauteile eingesetzt. Folglich sind im Sinne dieser Erfindung Blechumformbauteile maßgeblich als Kraftfahrzeugbauteile zu verstehen.
Bei den Kraftfahrzeugen wird unterschieden in unter anderem Kraftfahrzeugstrukturbauteile, aus denen insbesondere eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie hergestellt wird. Hierunter sind bekannt Kraftfahrzeugsäulen, eine A-Säule oder B- Säule, Längsträger, Querträger, Dachholme, Schweller, Getriebetunnel oder ähnliche Bauteile. Auch können Karosserieaußenhautbauteile des Kraftfahrzeuges hergestellt werden, beispielsweise eine Motorhaube, eine Dachaußenhaut oder auch eine Türaußenhaut. Ebenfalls können Anbauteile oder Crashbauteile hergestellt werden, welche beispielsweise eine Crashbox, ein Stoßfängerquerträger oder ähnliches sind.
Die Kraftfahrzeugindustrie fordert jedoch eine konsequente Umsetzung von Leichtbaumaßnahmen sowie eine verbesserte Steifigkeit bzw. Crasheigenschaft der Bauteile. Hierzu wurde die Warmumform- und Presshärtetechnologie entwickelt. Damit ist es möglich, eine Platine oder ein vorgeformtes Halbzeug aus einer härtbaren Stahllegierung auf eine Temperatur über Austenitisierungstemperatur (AC3) zu erwärmen. Die Platine wird in diesem warmen Zustand umgeformt. Dies bietet zum einen den Vorteil, dass die möglichen zu erzeugenden Umformgrade der Platine durch das Erhitzen auf über Austenitisierungstemperatur gesteigert sind. Bereits während und/oder nach dem Umformen wird das noch warme Blechumformbauteil derart rasch abgekühlt, dass eine Gefügeumwandlung von Austenit in Martensit erfolgt und hierdurch hohe Festigkeiten eingestellt werden.
Die somit durch Warmumformen und pressgehärteten Bauteile weisen eine hohe Festigkeit auf. Mit der hohen Festigkeit geht jedoch mitunter auch eine Sprödigkeit bzw. verringerte Duktilität des so hergestellten Blechumformbauteils einher.
Dies ist jedoch größtenteils unerwünscht, da es zu Sprödbrüchen und im Crashfall zu einem Abreißen des Blechumformbauteils an Koppelungsstellen führen kann. Üblicherweise werden konventionelle Ofenerwärmungen eingesetzt, die beispielsweise eine 30 bis 40 m lange Erwärmungsstrecke aufweisen. Dementsprechend wird eine damit verbundene Aufheizzeit auf über Austenitisierungstemperatur benötigt.
Die durch Warmumformen und Presshärten hergestellten Blechumformbauteile, beispielsweise aus einem Stahl der Sorte 22MnB5, weisen gute Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und gleichzeitig Duktilität auf.
In den letzten Jahren ist jedoch gerade im Bereich der Warmumformung und der dazu notwendigen Aufwärmung auf über Austenitisierungstemperatur die Kontakterwärmung bekannt geworden. Hierbei ist es möglich, auf geringem Platzbedarf in einer Produktionshalle mit gleichzeitig hohen Aufheizraten von mehr als 30 K/s, insbesondere größer 50 K/s die Platinen zum Warmumformen und anschließenden Presshärten sehr viel schneller zu erwärmen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei Verwendung von bekannten härtbaren Stahllegierungen zwar hohe Festigkeiten am fertig hergestellten Produkt erzielt werden, aufgrund der kurzen Aufheizzeit jedoch mit verringerter Duktilität, mithin verringertem Biegewinkel. Somit können gerade crashrelevante Bauteile nicht oder nicht prozesssicher mit einer Schnellerwärmung hergestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik ein Bauteil sowie Verfahren zur Herstellung des Bauteils aufzuzeigen, welche die zuvor genannten Nachteile überwindet.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Blechumformbauteil, hergestellt durch Warmumformen und Presshärten mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung des Blechumformbauteils gemäß den Merkmalen im Anspruch 7 gelöst.
Ein weiterer verfahrenstechnischer Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Halbzeuges mit den Merkmalen im Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Blechumformbauteil ist durch Warmumformen und Presshärten hergestellt. Das Blechumformbauteil ist dabei aus einer härtbaren, einstückigen und werkstoffeinheitlichen Stahllegierung hergestellt. Es handelt sich somit nicht um ein plattiertes Material, sondern um einen Werkstoff, der im Schnitt einstückig und werkstoffeinheitlich ausgebildet ist. Das Blechumformbauteil weist dabei eine Zugfestigkeit Rm größer 1200 MPa, insbesondere größer 1350 MPa auf. Das Blechumformbauteil weist ferner einen Biegewinkel größer 60° bei einer Wandstärke von 0,5 bis 1 ,5 mm auf. Bei einer größeren Wandstärke von 1 ,5 bis 2,5 mm weist das Blechumformbauteil einen Biegewinkel größer 45° auf. Die Zugfestigkeit sollte 2500MPa nicht überschreiten.
Der Biegewinkel ist ermittelt im Plättchen-Biegeversuch nach VDA 238-100:2010, bei einer Dehngrenze Rp0,2 von größer 900 MPa.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Blechumformbauteil nunmehr dadurch aus, dass ausgehend von beiden Oberflächen, jeweils geschichtete Martensitlagen bzw. Martensitschichten ausgebildet sind. Mithin sind von einer Oberseite und einer Unterseite des dreidimensional umgeformten Blechumformbauteils benachbarte Martensitschichten mit verschiedenen Eigenschaften über die Blechdicke bzw. Wandstärke ausgebildet. Es handelt sich um abwechselnd duktilere und härtere Martensitschichten. Die duktilere Martensitschicht liegt immer an der Oberfläche bzw. Außenseite.
Erfindungsgemäß wird das zuvor benannte Blechumformbauteil aus einem Warmwalzprodukt, nachfolgend auch Halbzeug genannt, hergestellt. Das Warmwalzprodukt ist einstückig und werkstoffeinheitlich hergestellt. Es weist nach Abschluss des Walzvorganges jedoch verschiedene Schichten im Werkstoffgefüge auf. Die Schichten können auch als Lagen bzw. Zeilen bezeichnet sein. Die Schichten sind insbesondere flächig ausgebildet und erstrecken sich bevorzugt über die gesamte Fläche des bereitgestellten Halbzeuges, zumindest jedoch über die gesamte Bandbreite. Das Halbzeug wird bevorzugt in Form einer Platine bereitgestellt.
Erfindungsgemäß ist bei dem Halbzeug die jeweils äußere Schicht als Ferritschicht ausgebildet. Diese weist wiederum bevorzugt eine Dicke von 4 bis 140 pm auf. Mithin ist an der Oberseite und der Unterseite des Halbzeuges eine außenliegende Ferritschicht ausgebildet. Unterhalb dieser Ferritschicht ist eine Perlitschicht ausgebildet, bevorzugt mit einer Dicke von 4 bis 25 pm. Danach schließen sich jeweils im Wechsel weitere Ferrit- und Perlitschichten über die Banddicke bzw. Wandstärke an. Die Schichten erstrecken sich immer über die gesamte Bandbreite.
Aus dem so geschichteten Halbzeug kann nach dem Schnellerwärmen, Warmumformen und anschließenden Abkühlen während des Presshärtens eine äußere kohlenstoffarme Martensitschicht und eine darunter befindliche kohlenstoffreiche Martensitschicht erzeugt werden, da durch die Schnellerwärmung kein Diffusionsausgleich zwischen den ferritischen und den perlitischen Schichten stattfindet. Es wird somit die außenliegende Ferritschicht zu einer Martensitschicht umgewandelt, die eine geringere Festigkeit bei jedoch gleichzeitig hoher Duktilität aufweist. Die darunterliegende Perlitschicht wird zu einer Martensitschicht mit demgegenüber höherer Festigkeit, aber verringerter Duktilität umgewandelt.
Bevorzugt sind über die Wandstärke mindestens drei, insbesondere mindestens fünf und besonders bevorzugt mindestens sieben Schichten Martensit ausgebildet.
Bevorzugt beträgt ein delta beziehungsweise Unterschied in der Festigkeit zwischen Martensitschicht mit höherer Festigkeit, aber verringerter Duktilität und der Martensitschicht mit geringerer Festigkeit, aber höherer Duktilität mindestens zwischen 100 und 300 MPa. Dies bedeutet, die Martensitschicht mit höherer Festigkeit ist mindestens 100 bis 300 MPa fester als die Martensitschicht mit größerer Duktilität, jedoch geringerer Festigkeit. Das delta zwischen den einzelnen Martensitschichten mit verschiedener Festigkeit sollte jedoch circa 1 .000 MPa nicht übersteigen. Es kann weiter vorgesehen sein, durch zusätzliches gezieltes Randentkohlen des Halbzeugs die äußerste Schicht als randentkohlte Schicht auszubilden, welche einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweist.
In dieser randentkohlten Schicht wandelt sich das vorhandene, sehr kohlenstoffarme ferritische Werkstoffgefüge beim Presshärten nicht oder nur zu geringen Teilen in Martensit um, so dass diese eine deutlich geringere Festigkeit hat. Die randentkohlte Schicht weist ein im Wesentlichen ferritisches Werkstoffgefüge auf. Im Vergleich zu der Martensitschicht mit höherer Festigkeit und verringerter Duktilität kann der Unterschied in der Festigkeit bis zu 1 .000 MPa betragen.
Diese unterschiedlich festen und unterschiedlich duktilen Schichten setzen sich anschließend abwechselnd über die Banddicke fort. Das insgesamt warm um geformte und pressgehärtete Blechumformbauteil weist jedoch eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität auf, so dass zuvor genannte Biegewinkel auch trotz Schnellerwärmung des Halbzeuges erreicht werden können.
Gleichzeitig oder ergänzend kann eine Randentkohlung durchgeführt werden. Hierdurch wird bei dem hergestellten Blechumformbauteil bei vorzugsweise gleichbleibender Festigkeit die Duktilität im Randbereich nochmals erhöht. Die Randentkohlung findet bevorzugt nach dem Warmwalzen des Blechbandes statt.
Insbesondere weist die jeweils äußere Schicht an dem Blechumformbauteil, mithin die äußere Martensitschicht, eine Schichtdicke von 4 bis 140 pm, bevorzugt von 10 bis 140 pm, insbesondere von 14 bis 140 pm auf.
Weist das Blechumformbauteil eine optionale Randentkohlung auf, so ist diese Randentkohlung jeweils außenliegend von der Oberfläche aus sich in das Blechumformbauteil hinein erstreckend und damit in der zuvor genannten Schichtdicke der äußeren Schicht inbegriffen, beziehungsweise kann auch die randentkohlte Schicht, die äußere Schicht ausbilden. Beispielsweise kann eine Randentkohlung in einer Schicht von 10 bis 140 pm, bevorzugt 20 bis 100 pm von der Oberfläche sich in das Blechumformbauteil hinein erstrecken, insbesondere in die äußere Martensitschicht. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Blechumformbauteils können härtbare Stahllegierungen verwendet werden, beispielsweise 22MnB5 oder auch MBW 1900 bzw. MBW 1500. Es handelt sich dabei um Manganborstähle. Bevorzugt weisen diese folgende Modifikation auf. Es hat sich als vorteilig erwiesen zur Herstellung des Halbzeuges einen härtbaren Manganborstahl zu verwenden, der einen Anteil in Gew% von einschließlich 0,5 bis 1 ,7% Mangan (Mn) sowie einen Anteil von einschließlich 0,0008 bis 0,005% Bor (B) aufweist. Der Mangangehalt verzögert die Inkubationszeit der Bainit- und Ferritbildung. Durch den Borgehalt verzögert sich die Ferrit- und die Perlitbildung. Durch diese Kombination der Legierungselemente ist es möglich, einen isolierten ferritisch-perlitischen Umwandlungsbereich ausgehend von der Oberfläche zu erzeugen, so dass durch die dem Walzen nachgelagerten Abkühlbedingungen gezielt eine Gefügestruktur/Gefügeschichten in dem Halbzeug ausgebildet werden können. Die gezielte Abkühlung in einer Kühlstrecke nach dem letzten Walzengerüst ermöglicht es dabei, ein geschichtetes Gefüge von Ferrit und Perlit über die Banddicke ausgehend von der Oberfläche einzustellen. Durch das nachgelagerte Schnellerwärmen, Warmumformen und Presshärten wandelt sich dies in entsprechende Martensitschichten mit voneinander verschiedenen Festigkeitseigenschaften um. Insbesondere wird in der Ferritschicht und Perlitschicht eine feine Martensitstruktur mit lokal unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten erzeugt.
Als Blechumformbauteile werden insbesondere Kraftfahrzeugbauteile hergestellt, hier wiederum bevorzugt Karosseriebauteile, ganz besonders bevorzugt Karosseriestrukturbauteile, die insbesondere crashrelevante Anforderungen erfüllen.
Die Schnellerwärmung in weniger als 1 min., bevorzugt in weniger als 30s, ganz besonders bevorzugt in weniger als 20s mit einer Aufheizrate von mehr als 30K/s, insbesondere größer 50K/s, von Raumtemperatur auf über AC3-Temperatur wird im Zuge der Erfindung bevorzugt durch Kontakterwärmen durchgeführt. Hierzu werden Kontaktplatten einseitig oder beidseitig an das Halbzeug, mithin an die Platine, angelegt. Die Kontaktplatten weisen eine höhere Temperatur auf, so dass aufgrund von Wärmeleitung die höhere Temperatur der Kontaktplatten an das zu erwärmende Halbzeug abgegeben wird. Auch ist eine induktive Erwärmung, eine Erwärmung mittels Brennerflamme oder Infrarot möglich. Die Verwendung der Kontakterwärmungstechnologie ermöglicht es gleichsam gezielt, nur partielle Bereiche zu temperieren. Somit können nur partielle Flächenbereiche des Halbzeuges auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt werden, was beim nachfolgenden Warmumformen und Presshärten dann auch nur zu einer partiellen Härtung in diesen Flächenbereichen führt. Die Temperierung sowie Härtung findet in den partiellen Flächenbereichen über die gesamte Wandstärke statt. Im Falle der Härtung werden die verschiedenen Martensitlagen erzeugt.
Auch kann ein Halbzeug hergestellt werden, das flächenbereichsweise voneinander verschiedene Wandstärken aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Blechumformbauteils mit folgenden Verfahrensschritten:
- Warmwalzen einer härtbaren Stahllegierung,
- Erzeugen einer Ferrit-Perlitschichtung mit einer an der Oberfläche liegenden Ferritschicht des Warmwalzproduktes, über die gesamte Bandbreite,
- Vereinzeln zu Platinen,
- Schnellerwärmen einer Platine in einer Zeit kleiner 60s mit einer Heizrate größer 30K/s, bevorzugt größer 50K/s insbesondere größer 60K/s, besonders bevorzugt größer 80 K/s von Umgebungstemperatur auf über Austenitisierungstemperatur,
- Warmumformen und Presshärten des Blechumformbauteils.
Bei dem zuvor genannten Verfahren wird insbesondere ein Warmwalzprodukt als metallisches Halbzeug verwendet, welches durch nachfolgend beschriebenes Verfahren hergestellt wird:
- Warmwalzen einer härtbaren Stahllegierung, - Erzeugen einer äußeren Ferrit-Perlitschichtung mit einer an der Oberfläche liegenden Ferritschicht des Warmwalzproduktes, über die gesamte Bandbreite,
- Vereinzeln zu Platinen.
Insbesondere kann das Warmwalzen mit folgenden Verfahrensparametern durchgeführt werden:
- Bereitstellen einer Bramme und Aufheizen auf eine Kerntemperatur größer 1200°C für eine Zeit von mehr als 60s,
- Walzen auf eine Vorbanddicke zwischen 45 und 55mm,
- Zwischenwalzen auf eine Banddicke von 13 bis 25mm,
- Walzendtemperatur des gewalzten Stahlblechbandes 860 bis 920°C,
- Walzendgeschwindigkeit 3-12m/s,
- Abkühlung auf einer Strecke von bevorzugt 65 bis 80m nach dem letzten Walzengerüst mit 15 bis 30K/s,
- Erreichen einer Haspeltemperatur von 650 bis 800°C,
~ Aufcoilen des so hergestellten Stahlbandes.
Das so warmgewalzte und abgekühlte Stahlbiechband weist insbesondere in äußeren Schichten die erfindungsgemäße Ferrit- und Perlitstruktur auf, welche in einem nachgelagerten Warmumform- und Presshärteverfahren für eine verbesserte Duktilität der hergestellten Blechumformbauteiie sorgt im Vergleich zu einem konventionell warmumgeformten und pressgehärteten Stahl mit vorheriger Schnellerwärmung.
Auch ist es möglich, dass das Stahlblechband beschichtet wird, beispielsweise mit einer AISi- oder Zink-Beschichtung. Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in schematischen Figuren beschrieben. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine Fertigungsfolge zur Herstellung zunächst eines erfindungsgemäßen Halbzeuges und zur Weiterverarbeitung zu einem erfindungsgemäß hergestellten Blechumformbauteil,
Figur 2 eine Teilschnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Halbzeug und
Figur 3 a bis c jeweils eine Teilschnittansicht durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Blechumformbauteil,
Figur 4 ein erfindungsgemäß hergestelltes Blechumformbauteil mit
Flächen bereichsweise voneinander verschiedener Festigkeit und
Figur 5 eine Teilschnittansicht durch ein erfindungsgemäßes
Blechumformbauteil mit voneinander verschiedenen Wandstärken.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren. Zunächst wird eine Bramme 2 aus einer härtbaren Stahllegierung bereitgestellt, welche in einem Ofen 14 erwärmt und dann durch eine Walzstrecke 3 geführt wird. Der Ofen 14 weist eine Temperatur Ti auf, welche größer 1200°C ist. Nach Passieren des letzten Walzengerüstes 4 weist das so gewalzte Stahlblechband 5 eine Walzendtemperatur auf. Es wird anschließend durch eine Abkühlstrecke 6 geführt. Am Ende der Abkühlstrecke 6 weist das abgekühlte Stahlblechband 7 eine Haspeltemperatur auf, um im Anschluss auf einer Coilanlage 8 aufgecoilt zu werden. Somit ist ein Warmwalzprodukt bereitgestellt in Form eines Coils. Die Bandbreite B erstreckt sich in die Bildebene hinein.
Das Warmwalzprodukt kann jedoch auch gemäß dem nächsten Verfahrensschritt eine entsprechend vereinzelte Platine 9 sein. In einem nicht näher dargestellten Abcoilprozess wird das Stahlblechband 7 einer Vereinzelungsanlage 10 zugeführt. Die einzelnen Platinen 9 werden dann erfindungsgemäß einer Schnellerwärmung in einer Temperierstation 1 1 unterzogen und auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt. Hierzu sind in der Temperierstation 1 1 Kontaktplatten 12 angeordnet, die in Kontakt mit der zu erwärmenden Platine 9 kommen.
Die erwärmte Platine 9 wird in ein Warmumform- und Presshärtewerkzeug 13 überführt und hier warmumgeformt und pressgehärtet. Nach Abschluss des Presshärtevorganges wird das erfindungsgemäß hergestellte Blechumformbauteil 1 erhalten.
In Figur 2 ist ein auszugsweiser Querschnitt des Halbzeuges bzw. der vereinzelten Platine 9 vor dem Erwärmen, mithin vor dem Austenitisieren dargestellt. Die Platine 9 weist eine Gesamtwandstärke, nachfolgend Wandstärke W genannt, auf, welche bevorzugt von 0,5 bis 2,5 mm beträgt. Von einer jeweils außenliegenden Oberfläche 15, 16 aus sind über die Wandstärke W abwechselnd mehrere Schichten Ferrit und Perlit übereinander angeordnet. Die Ferrit- und Perlitschichten sind dabei unmittelbar benachbart angeordnet. Über die Wandstärke W hinweg ist die Platine 9 bzw. das Halbzeug einstückig und werkstoffeinheitlich ausgebildet.
Die jeweils außenliegende Ferritschicht 17 weist bevorzugt eine Dicke D17 von 4 pm bis 140 pm auf. Die außenliegende Ferritschicht 17 bildet dann jeweils auch die Oberfläche 15, 16 der Platine 9 aus. Ausgehend von der Oberfläche 15 bzw. 16 ist jeweils unter der Ferritschicht 17 eine Perlitschicht 18 angeordnet. Die Perlitschicht 18 weist bevorzugt eine Dicke D18 von 4 pm bis 25 pm auf. Abwechselnd folgen dann weitere Ferritschichten 19, wiederum gefolgt von einer jeweiligen Perlitschicht 20. Diese können auch jeweils eine Dicke von 4 pm bis 25 pm aufweisen.
Hier dargestellt sind über die Wandstärke W dreizehn Schichten ausgebildet. Erfindungsgemäß sind mindestens über die Wandstärke W drei Schichten, bevorzugt mehr als fünf Schichten, insbesondere mehr als sieben Schichten Ferrit und Perlit ausgebildet. Die einzelnen Schichten sind nicht in ihrem jeweiligen Wandstärkenverhältnis zueinander maßstabsgetreu dargestellt.
Figur 3a zeigt den Teilausschnitt gemäß Figur 2 aus dem bereits hergestellten Blechumformbauteil 1. Mithin hat ein Erwärmen, Warmumformen und Presshärten stattgefunden. Die einzelnen Schichten sind weiterhin über die Wandstärke W ausgebildet. Jedoch hat sich das Gefüge in Martensit umgewandelt. Die vorherigen Ferritschichten haben sich in Martensitschichten 21 mit im Verhältnis zu nachfolgend beschriebener Martensitschicht 22 geringerer Festigkeit und hoher Duktilität umgewandelt. Die von der Oberfläche 15, 16 aus gesehen darunterliegenden Perlitschichten 18 sowie die ebenfalls weiter innen liegenden Perlitschichten 20 haben sich in Martensitschichten 22 mit höherer Festigkeit und geringerer Duktilität umgewandelt. Weiter innenliegend sind dann aufeinander folgende Martensitschichten 21 mit geringerer Festigkeit und höherer Duktilität sowie Martensitschichten 22 mit höherer Festigkeit und geringerer Duktilität jeweils abwechselnd angeordnet.
Figur 3b zeigt einen analogen Teilausschnitt zu Figur 3a, wobei hier jeweils außenliegend eine jeweils durch Randentkohlung ausgebildete Schicht 26 vorliegt. Diese weist im Wesentlichen ein ferritisches Werkstoffgefüge auf, beziehungsweise die Schichten 26 können auch vollständig aus Ferrit bestehen. Die randentkohlte Schicht 26 geht dann in die außenliegende Martensitschicht 21 mit geringer Festigkeit, aber höherer Duktilität über. Optional kann auch die randentkohlte Schicht 26 die ganze außenliegende Schicht ausbilden. Es folgt dann direkt die Martensitschicht 22 mit höherer Festigkeit. Dies ist dargestellt in Figur 3c.
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Blechumformbauteil 1 als Kraftfahrzeugbauteil und hier konkret als Kraftfahrzeugsäule. Dieses Blechumformbauteil 1 weist beispielsweise einen untenliegenden Fußbereich 23, einen obenliegenden Dachanbindungsbereich 24 sowie einen dazwischenliegenden Mittelabschnitt 25 auf. Der Mittelabschnitt 25 kann eine geringere Wandstärke W25 aufweisen als beispielsweise der Fußbereich 23. Eine Teillängsschnittansicht gemäß Schnittlinie A-A ist in Figur 5 dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Wandstärke W23 im Fußbereich 23 geringer ist als die Wandstärke W25 im Mittelabschnitt 25. Die einzelnen Martensitschichten sind auch in dem Bereich mit geringerer Wandstärke ausgebildet. Die einzelnen Schichten sind beispielsweise durch flexibles Kaltwalzen der Platine 9 bzw. des abgekühlten Stahlblechbands 7 hergestellt. Dadurch werden die Ferrit- und Perlitschichten gestaucht und weisen eine geringere Dicke, jedoch die gleiche Anzahl über die Wandstärke W auf. Nach erfolgtem Austenitisieren, Warmumformen und Presshärten sind dann die einzelnen Martensitschichten auch in der geringeren Wandstärke mit gleicher Anzahl, jedoch geringerer Dicke ausgebildet.
Bezugszeichen:
1 - Blechumformbauteil
2 - Bramme
3 - Walzstrecke
4 - Walzengerüst
5 - Stahlblechband
6 - Abkühlstrecke
7 - abgekühltes Stahlblechband
8 - Coilanlage
9 - Platine
10 - Vereinzelungsanlage
1 1 - Temperierstation
12 - Kontaktplatte
13 - Warmumform- und Presshärtewerkzeug
14 - Ofen
15 - Oberfläche
16 - Oberfläche
17 - außenliegende Ferritschicht
18 - Perlitschicht
19 - Ferritschicht
20 - Perlitschicht
21 - Martensitschicht geringere Festigkeit, höhere Duktilität
22 - Martensitschicht höhere Festigkeit, geringere Duktilität
23 - untenliegender Fußbereich
24 - obenliegender Dachanbindungsbereich
25 - Mittelabschnitt
26 - randentkohlte Schicht
W - Wandstärke
W23 - Wandstärke zu 23
W25 - Wandstärke zu 25
D17 - Dicke zu 17 D18- Dicke zu 18 B - Bandbreite

Claims

Patentansprüche
1. Blechumformbauteil (1), hergestellt durch Warmumformen und Presshärten aus einer härtbaren einstückigen und werkstoffeinheitlichen Stahllegierung, wobei das Blechumformbauteil (1) eine Zugfestigkeit größer 1200MPa, insbesondere größer 1350MPa aufweist und einen Biegewinkel größer 60° bei einer Wandstärke (w) von 0,5 bis 1,5mm oder einen Biegewinkel größer 45° bei einer Wandstärke (w) von 1 ,5 bis 2,5mm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Blechumformbauteil (1) mehrere übereinander liegende Martensitschichten (21, 22) ausgebildet sind, wobei eine jeweils an dem Blechumformbauteil (1) außenliegende Martensitschicht (21) eine höhere Duktilität aufweist als eine darunter liegende Martensitschicht (22).
2. Blechumformbauteil (1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von zwei gegenüberliegenden Oberflächen (15, 16) über die Wandstärke (w) mindestens drei, bevorzugt mindestens fünf, bevorzugt mindestens sieben Martensitschichten (21 ,22) ausgebildet sind und/oder dass die jeweils außenliegende Martensitschicht (21) eine Dicke von 4 pm bis 140 pm aufweist.
3. Blechumformbauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Oberflächen (15, 16) eine Randentkohlung aufweisen, und/oder dass außenseitig eine randentkohlte Schicht (26) angeordnet ist, die ein im Wesentlichen ferritisches Werkstoffgefüge aufweist.
4. Blechumformbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Martensitschichten (21, 22) aus einem Halbzeug hergestellt sind, welches eine jeweils außenliegende Ferritschicht (17) mit darunter liegender Perlitschicht (18) sowie bevorzugt weitere darunter abwechselnd liegende Ferritschichten (19) und Perlitschichten (20) aufweist.
5. Blechumformbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die härtbare Stahllegierung ein Manganborstahl ist, aufweisend einen Anteil Gew% von einschließlich 0,5 bis 1,7% Mangan und einschließlich 0,0008 bis 0,005% Bor.
Blechumformbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es flächenbereichsweise voneinander verschiedene Festigkeiten aufweist und/oder voneinander verschiedene Wandstärken (W23, W25).
Verfahren zur Herstellung eines Blechumformbauteils (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte:
- Warmwalzen einer härtbaren Stahllegierung,
- Erzeugen einer Ferrit-Perlitschichtung mit einer an der Oberfläche (15, 16) liegenden Ferritschicht (17) des Warmwalzproduktes über die gesamte Bandbreite (B),
- Vereinzeln zu Platinen (9),
- Schnellerwärmen der Platinen (9) mit einer Heizrate größer 30K/s, bevorzugt größer 50K/s von Umgebungstemperatur auf über Austenitisierungstemperatur,
- Warmumformen und Presshärten des Blechumformbauteils (1).
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Halbzeuges aus einer härtbaren Stahllegierung, insbesondere zur Weiterverarbeitung zu einem Blechumformbauteil (1 ) nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte:
- Warmwalzen einer härtbaren Stahllegierung,
- Erzeugen einer äußeren Ferritschicht (17) und einer darunterliegenden Perlitschicht (18) an beiden Oberflächen (15, 16) des Warmwalzproduktes, über die gesamte Bandbreite (B),
- Vereinzeln zu Platinen (9). Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwalzen durchgeführt wird mit folgenden Parametern:
- Bereitstellen einer Bramme (2) und Aufheizen auf eine Kerntemperatur größer 1200°C für eine Zeit von mehr als 60s,
- Walzen auf eine Vorbanddicke zwischen 45 und 55mm,
- Zwischenwalzen auf eine Banddicke von 13 bis 25mm,
- Walzendtemperatur des gewalzten Stahlbandes (5) 860 bis 920°C,
- Walzendgeschwindigkeit 3- 12m/s,
- Abkühlung auf bevorzugt auf einer Strecke von 65 bis 80m nach dem letzten Walzengerüst (4) mit 15 bis 30K/s,
- Erreichen einer Haspeltemperatur von 650 bis 800°C,
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnellerwärmen durch Kontakterwärmen, insbesondere mit einer Heizrate größer 50K/s, bevorzugt größer 80K/s durchgeführt wird.
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