WO2020020644A1 - Verfahren zur herstellung eines gehärteten stahlprodukts - Google Patents

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Stefan Pohl
Elisabeth Danger
Thorsten LABUDDE
Jürgen Butzkamm
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Muhr Und Bender Kg
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    • C23C2/29—Cooling or quenching

Definitions

  • the invention relates to a method for producing coated hardened steel products, in particular for use as a structural component of a motor vehicle.
  • WO 2009/090555 A1 discloses a method for producing a hot-stamped coated steel section, comprising the steps of: pre-coating a steel strip with aluminum or aluminum alloy by hot dipping, the thickness of the precoating having 20 to 33 micrometers on each side, cutting the precoated steel strip into a steel section, heating the steel section in an oven, transferring the heated steel section into a press tool, hot stamping the steel section in the press tool, and cooling the steel section.
  • DE 10 2007 019 196 A1 discloses a method for producing flexibly rolled strip material with a cathodic corrosion protection layer.
  • the strip material is coated at a higher strip temperature in a zinc pot (hot dipped galvanized steel).
  • the zinc coating is in the same ratio rolled, like the actual strip thickness, whereby a final coating thickness after flexible rolling of greater than or equal to 7.5 micrometers is aimed for.
  • a method for producing a sheet metal component is known from WO 2008/1 13426 A2, a hot or cold strip being hot-dip coated or electrolytically coated and then subjected to a flexible rolling process.
  • a hot or cold strip being hot-dip coated or electrolytically coated and then subjected to a flexible rolling process.
  • different sheet pressures produce different sheet thicknesses of the flexibly rolled steel strip.
  • the coating is formed to be of different thicknesses during coating, the coating thickness being increased depending on the rolling pressure with increasing rolling pressure to be expected.
  • WO 2006 097 237 A1 discloses a method and a system for hot-dip coating hot-rolled steel strip.
  • the steel strip passes through a pickling station, a rinsing station, a drying station, a heating furnace and then a melting bath.
  • the finished thickness and the thickness tolerance of the hot-dip coated steel strip are achieved by controlled thickness reduction in a roll stand in the process line by checking the finished thickness in the outlet of the roll stand using a thickness measuring device and tracing deviations from the target thickness as a control signal to the position of the roll stand becomes.
  • WO 2016/198186 A1 discloses a method for hot forming a steel structure.
  • the steel component is provided with a corrosion-resistant scale protection layer and before hot forming there is a surface oxidation in which a corrosion-resistant oxidation layer is formed on the scale protection layer.
  • the present invention is based on the object of proposing a method for producing a coated and hardened component, in particular as a structural component for a motor vehicle, which has good corrosion protection resistance in areas with different thicknesses.
  • the object is achieved by means of a method for producing a hardened steel product with the steps: providing a steel substrate with a Base material made of hardenable steel; Coating the steel substrate with a pre-coating containing aluminum to produce a pre-coated steel substrate, the coating of the pre-coated steel substrate having a thickness (d1) of at least 34 micrometers (gm); Flexible rolling of the pre-coated steel substrate in such a way that successive sections of the pre-coated steel substrate are rolled out to different degrees to produce a variable thickness over the length of the pre-coated steel substrate, the pre-coating after the flexible rolling in thinner first sections being a reduced first Thickness (d2a) of less than 33 micrometers and in thicker second sections a reduced second thickness (d2b) which is thicker than the reduced first thickness (d2a); Working out a board from the flexibly rolled strip material; Heating the circuit board in such a way that the base material of the circuit board is at least partially austenitized, with the diffusion processes taking place
  • the substrate has a sufficiently thick coating even after flexible rolling. It has been shown that the coating increases during heating for the subsequent hot forming due to the diffusion processes, so that the final thickness of the coating after the hot forming is greater than the respective coating thickness after the flexible rolling and before the heating for the hot forming. Due to the fact that the precoating has a thickness of at least 34 micrometers, the coating is sufficiently thick to provide good protection against corrosion, even in the thinner first sections, due to the subsequent heating for hot forming, despite the reduction in thickness that results from flexible rolling to reach. In the thicker sections of the finished component, which generally have to withstand higher loads, the coating is also correspondingly thicker, so that these sections are particularly well protected.
  • the steel substrate can be, for example, a hardenable or temperable, in particular manganese-containing, steel material. In addition to manganese, this can contain further microalloying elements.
  • the steel material can contain, for example, the following proportions of alloy elements in percent by weight:
  • Manganese (Mn) with at least 0.5% and at most 5.0%, in particular at least 0.8% and at most 2.5%;
  • Silicon (Si) with at least 0.1% and at most 0.9%, in particular at most 0.5%;
  • Boron (B) with at least 0.0005 and at most 0.080%, in particular at least 0.002% and at most 0.006%;
  • Phosphorus (P) with at most 0.1%, in particular at most 0.01%;
  • alloying elements with a share of up to 1.55% (1550 ppm); the rest iron (Fe) and unavoidable impurities.
  • the substrate can in each case in percent by weight in particular at least one of:
  • Copper (Cu) with at most 0.1%
  • V Vanadium (V) with a maximum of 0.25%
  • the mass fraction of the optional alloying elements can also be lower, for example molybdenum can also be present at a maximum of 0.8%, 0.5% or 0.25%.
  • the mass fraction of the optional alloy elements is a maximum of 1.55%, in particular a maximum of 1.0%, in particular a maximum of 0.8%.
  • the alloy element niobium advantageously brings about a fine-grained structure of a component that is hot-formed from the alloy. In particular, in cooperation with molybdenum, which can inhibit grain growth, a particularly fine-grained structure results, which in turn has a favorable effect on the strength of the component produced therefrom.
  • Examples of usable steel materials containing boron manganese are 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 or 34MnB5.
  • the starting material can have a tensile strength of, for example, at least 450 MPa.
  • a molded part produced from the coated steel substrate can have a final tensile strength of, for example, at least 1 100 MPa, in particular at least 1500 MPa. It is also possible for certain sub-areas of the molded part, where necessary, to be set to a lower tensile strength of less than 1,100 MPa and therefore higher ductility.
  • the steel substrate can have an initial thickness of, for example, between 1.0 and 4.0 mm.
  • the coating preferably contains at least 85% by weight of aluminum, which also includes the possibility of using a pure aluminum coating (100% by weight of Al), as well as the use of an alloy which, as the main alloy component, contains aluminum with at least 85% by weight and optionally further Contains alloy components, for example silicon with, for example, between 5 and 15 percent by weight and / or iron with up to 5 percent by weight and / or one or more other alloying elements in smaller proportions.
  • alloy components for example silicon with, for example, between 5 and 15 percent by weight and / or iron with up to 5 percent by weight and / or one or more other alloying elements in smaller proportions.
  • the proportion of the other alloying elements for example at least one from the group of Mn, Cr, Ti, B, P, S, Cu, Ni, Nb, Mo, V, can together be, for example, up to 1.5% by weight.
  • the term aluminum coating or aluminum-based coating is generally used on the basis of the main constituent aluminum, with which the abovementioned possibilities of other alloy compositions are to be conceptually included.
  • the aluminum coating can, for example, be applied to the steel substrate in a hot-dip process in a melt bath with at least 85 percent by weight of aluminum and, if appropriate, other alloy components or other customary coating processes.
  • An exemplary composition of the molten bath or the applied coating can contain up to 3% by weight of iron, 9 to 12% by weight of silicon, optionally one or more contain further alloy elements with up to 1.5 percent by weight, and the rest of aluminum. It is understood that inevitable impurities may also be included.
  • the precoating is applied to the steel substrate with a thickness (d1) of at least 36 micrometers, in particular at least 40 micrometers.
  • the steel substrate pre-coated in this way forms the basis for a hardened component with variable thicknesses to be produced therefrom.
  • the coating of the steel substrate can be applied, for example, by means of hot-dip coating, the steel substrate being immersed in a basin with melted coating material. It is understood that other known coating methods can also be used.
  • the pre-coated steel substrate is rolled flexibly after the pre-coating, it being understood that further steps, such as heating, for unwinding, unwinding, straightening, cleaning or the like can be interposed.
  • the steel substrate is heated in the coating system after the application of the precoating in order to achieve pre-diffusion between the precoating and the steel substrate.
  • the pre-diffusion heating is carried out at temperatures below the melting temperature of the coating material, for example in a temperature window between 0.5 times and 0.9 times the melting temperature of the coating material.
  • a thicker interdiffusion zone is formed between the base material of the steel substrate and the coating material during the coating process. This makes it possible to carry out the heating more quickly in the course of hot forming, which has an overall favorable effect on the cycle times during hot forming.
  • strip material with a substantially uniform sheet thickness is rolled out by changing the roll gap during the process to form strip material with a variable sheet thickness over the length.
  • the sections of different thicknesses produced by the flexible rolling extend transversely to the longitudinal direction or direction of rolling of the strip material.
  • the strip material can be easily rewound into the coil and fed to further processing at another location, or it can be processed directly, for example by cutting the strip material to individual sheet metal elements.
  • Flexible rolling can be carried out with rolling degrees of at least 1% and / or a maximum of 60% based on the initial thickness (d1) of the precoated steel substrate, in particular with rolling degrees between 3% and 55%. Due to the flexible rolling, the thickness of the pre-coating is reduced accordingly with the steel substrate.
  • the precoating after the flexible rolling in thinner first sections can in particular have a reduced first thickness (d2a) of less than 20 micrometers.
  • the flexible rolling is carried out in such a way that the precoating after the flexible rolling in thicker second sections has a reduced second thickness (d2b) of more than 33 micrometers, in particular of more than 36 micrometers. It goes without saying that between the thinnest sections and the thickest sections of the strip material, depending on the desired component geometry, there may be any other thickness ranges or transition regions in between.
  • a process step downstream of the flexible rolling blanks are produced from the flexibly rolled strip material.
  • This process step is also called separating.
  • the separation can be carried out by mechanical cutting or by laser cutting.
  • the term circuit boards is intended to include both rectangular metal sheets that have been cut out of the strip material and shape cuts.
  • Shape cuts are sheet metal elements made from the strip material, the outer contour of which is already adapted to the shape of the end product.
  • the sheet metal blanks are hot-formed after the separation, it being possible for further process steps to be interposed if necessary.
  • the blank is at least in part at the austenitizing temperature heated; then placed in a thermoforming tool and formed in the thermoforming tool and cooled quickly, so that a hardened molded part is produced.
  • Heating to austenitizing temperature means a temperature range in which at least partial austenitizing takes place or is present, that is, a microstructure in the two-phase region of ferrite and austenite.
  • the board is heated to a temperature above Ac1, that is, the temperature at which austenite begins to form.
  • the board can be heated to a temperature of over 880 ° C and / or up to 960 ° C.
  • the circuit board is heated at least up to a temperature of 700 ° C. with a heating rate of more than 12 K / sec. The manufacturing time is reduced by rapid heating.
  • the board After heating to the austenitizing temperature and inserting it into the thermoforming tool, the board is formed and quickly cooled.
  • the rapid cooling of the molded part in the forming tool creates a hardened, at least partially martensitic structure in the component.
  • This process of hot forming and rapid cooling in a forming tool is also known as press hardening.
  • the first final thickness (d3a) is preferably formed in the thinner first sections of the finished component with more than 15 micrometers, in particular more than 20 micrometers, and less than 50 micrometers, in particular less than 40 micrometers.
  • the coating after the hot forming in the thicker second sections can have a second final thickness (d3b) of less than 60 micrometers, in particular less than 50 micrometers and / or more than 30 micrometers, in particular more than 35 micrometers exhibit.
  • the coating grows more strongly in the thinner areas in the course of hot forming than in thicker areas.
  • the coating with a final thickness ratio (d3a / d3b) of the first Final thickness (d3a) to the second final thickness (d3b) is formed, which is greater than an intermediate thickness ratio (d2a / d2b) of the reduced first thickness (d2a) to the reduced second thickness (d2b).
  • the different coating thicknesses in general adapt advantageously to one another, so that overall good protection against corrosion is achieved in all sections of the component.
  • the hot forming can be carried out as an indirect process, which comprises the sub-steps cold preforming, subsequent heating of the cold preformed component to austenitizing temperature and subsequent hot forming to produce the final contour of the product.
  • hot forming can also be carried out as a direct process, which is characterized in that the component is heated directly to the austenitizing temperature and then hot formed to the desired final contour in one step. A previous (cold) preforming does not take place here.
  • the coating can be produced in the forming tool in such a way that a metal oxide layer is formed on the surface.
  • a metal oxide layer is corrosion-resistant and inert, so tool wear during forming is reduced. If a metal oxide layer is formed on the coating surface, the present disclosure for the state after hot forming at given layer thicknesses relates to the total coating thickness, that is to say including the oxide layer. Preferred exemplary embodiments are explained below with reference to the drawing figures. Here shows
  • Figure 1 shows schematically an inventive method for producing a coated, hardened molded part
  • FIG. 2A shows a detail of the coated steel substrate after the precoating in an enlarged schematic representation
  • FIG. 2B shows a detail of the coated steel substrate after the flexible rolling in an enlarged schematic illustration
  • Figure 2C shows a detail of the coated and flexibly rolled steel substrate after hot forming in an enlarged schematic representation.
  • FIG. 1 shows a method according to the invention for securing a hardened product from a coated steel substrate 2.
  • the steel substrate is also referred to in strip form as a steel strip or generally as a strip material. When isolated, the steel substrate is also referred to as a circuit board.
  • the steel substrate 2 includes a hardenable flat steel product which, for example, can each contain the following proportions of alloy elements in percent by weight:
  • Manganese (Mn) with at least 0.5% and at most 5.0%, in particular at least 0.8% and at most 2.5%;
  • Silicon (Si) with at least 0.1% and at most 0.9%, in particular at most 0.5%;
  • Boron (B) with at least 0.0005 and at most 0.080%, in particular at least 0.002% and at most 0.006%;
  • Phosphorus (P) with at most 0.1%, in particular at most 0.01%;
  • This alloy composition includes, for example, boron-manganese-containing steel materials such as 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 and 34MnB5.
  • the steel material can have a yield strength of, for example, 150 to 1100 MPa and / or a tensile strength of at least 450 MPa.
  • the optional further alloy elements can be selected from the group: copper (Cu) with at most 0.1%;
  • V Vanadium (V) with a maximum of 0.25%
  • the percentages given refer in each case to the percentage by mass of the steel substrate.
  • One or more of the optional alloying elements mentioned can be used.
  • the mass fraction of the optional alloy elements is a maximum of 1.55%, in particular a maximum of 1.0%, preferably a maximum of 0.8%.
  • the steel substrate 2 which can be wound on a coil 3 in the initial state, is provided with a precoating 4.
  • the precoat 4 contains aluminum with at least 85 percent by weight and silicon with up to 15 percent by weight.
  • other alloying elements can be included at the expense of the silicon content, for example iron and / or other alloying elements with a total of up to 5 percent by weight.
  • the precoating 4 can be applied to the steel substrate 2 using generally known methods. One possibility is the hot dip application.
  • the steel substrate 2 passes through in a coating system 6 a molten bath 5 made of liquid coating material 4, which adheres to the surface of the substrate 2, so that a precoated steel substrate is produced.
  • the melt of the coating material can, for example, 8 to 15 weight percent silicon, 2 to 4 weight percent iron, optionally one or more further alloy elements, such as at least one from the group of Mn, Cr, Ti, B, P, S, Cu, Ni, Nb , Mo, V, of up to 1.5 percent by weight, and the remainder contain aluminum and unavoidable impurities.
  • the precoating 4 is applied to the steel substrate 2 with a thickness d1 of at least 36 micrometers, in particular at least 40 micrometers.
  • the coating thickness d1 can have a maximum thickness of 60 micrometers, in particular up to 50 micrometers in particular.
  • FIG. 2A schematically shows a section of the steel substrate 2 with precoating 4, the combination of steel substrate with precoating being provided with reference number 2 '.
  • the coated steel substrate 2 ' is rolled flexibly (S2).
  • the coated steel strip 2 ' which has a largely constant sheet thickness D1 over the length before the flexible rolling, is rolled by means of rollers 7, 8 in such a way that it receives a variable sheet thickness D2a, D2b, D2c along the rolling direction.
  • the coated and flexibly rolled steel substrate is provided with the reference number 12.
  • the process is monitored and controlled during rolling, the data determined by a sheet thickness measurement 9 being used as an input signal for controlling the rolls 7, 8.
  • the flexible rolling is carried out in accordance with the desired target thickness profile of a blank to be cut from the strip material 12 or a component to be produced therefrom.
  • the flexible rolling can be carried out with rolling degrees of at least 1% and / or a maximum of 60% based on the initial thickness D1 of the precoated steel substrate 2 ', in particular with rolling degrees between 3% and 55%.
  • FIG. 2B shows a section of the precoated steel substrate 12 after flexible rolling. It can be seen that the flexibly rolled strip material 12 after the rolling has more rolled out first areas a with a first thickness D2a and less rolled out second areas b with a second thickness D2b as well as intermediate areas c with variable thickness D2c. In the context of flexible rolling, there is a reduction in thickness both in the substrate 2 and accordingly in the precoating 4.
  • the precoating 4 has a reduced first thickness d2a of in particular less than 20 micrometers in the thinner first sections a, and a reduced second thickness d2b of in thicker second sections b in particular more than 33 micrometers, preferably more than 36 micrometers.
  • the strip material 12 can be rewound into the coil 3 so that it can be transported to a subsequent processing station.
  • the steel strip 12 can be smoothed in a subsequent process step, which takes place in a strip straightening device.
  • the smoothing step is optional and can also be omitted.
  • the coated and flexibly rolled steel strip 12 is separated in step S3.
  • Individual sheet metal blanks 22 are machined out of the steel strip 12, for example by means of a punching and / or cutting device 10. Depending on the shape of the sheet metal blanks 22 to be produced, they can be punched out of the strip material 12 as a shape cut, with an edge which is no longer used being eliminated as scrap , or the strip material 12 can simply be cut to pieces.
  • the blanks 22 are hot formed in a subsequent step S4, which can also be referred to as press hardening.
  • the plate 22 is heated to a temperature which is generally above the AC1 or AC3 temperature of the material, for example between 750 ° C. and 1000 ° C.
  • the heating can be carried out by suitable methods, such as for example by means of inductive heating, conductive heating, heating in the roller hearth furnace, contact heating by hot plates, infrared, or other known methods.
  • the board 22 is then placed in a thermoforming tool 11 and shaped therein and cooled or quenched so quickly that at least partially a martensitic hardness structure is produced in the molded part produced in this way.
  • hot forming can be carried out as a direct process.
  • the circuit board 22 is heated directly to the austenitizing temperature and then hot-worked in one step to the desired final contour. shaped.
  • a previous (cold) preforming does not take place here.
  • hot forming can also be carried out as an indirect process which comprises the sub-steps of cold preforming, subsequent heating of the cold preformed component to austenitizing temperature and subsequent hot forming to produce the final contour of the molded part.
  • the holding time for austenitizing the coated board 22 depends on the selected temperature and can be between 4 and 10 minutes.
  • the coating 4 of the hot-formed product 32 in the thinner first sections a preferably has a final coating thickness d3a of more than 15 micrometers, in particular more than 20 micrometers.
  • the coating 4 can have a second final thickness d3b, in particular of more than 30 micrometers, preferably more than 35 micrometers, after the heating or hot forming.
  • the final thickness d3a of the coating 4 is less than 50 micrometers, in particular less than 40 micrometers, in the thin regions a, and less than 60 micrometers, in particular less than 50, in the thicker regions b Micrometer.
  • a surface oxidation of the coated and flexibly rolled substrate 2 can be carried out before hot forming (S4).
  • An oxidation layer is formed on the coating 4. This leads to a higher heat absorption, so that the heating-up times can be shortened.
  • the blank can be heated at least up to a temperature of 700 ° C. with a heating rate of more than 12 K / sec in the course of hot forming.
  • thermoforming tool 10 cutting device 1 1 thermoforming tool 12 flexibly rolled substrate 22 circuit board

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts mit den Schritten: Bereitstellen eines Stahlsubstrats (2) aus einem härtbaren Stahl; Beschichten des Stahlsubstrats (2) mit einer Aluminium-Vorbeschichtung (4), wobei die Vorbeschichtung (4) mit einer Dicke (d1) von mindestens 34 μm auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird; Flexibles Walzen des vorbeschichteten Stahlsubstrats (2), um eine variable Dicke über der Länge des vorbeschichteten Stahlsubstrats (2) zu erzeugen, wobei die Vorbeschichtung in dünneren ersten Abschnitten auf eine reduzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 33 μm und in dickeren zweiten Abschnitten auf eine reduzierte zweite Dicke (d2b), die dicker ist als die reduzierte erste Dicke (d2a), ausgewalzt wird; Herausarbeiten einer Platine (22) aus dem flexibel gewalzten Stahlsubstrat (2); Erwärmen der Platine (22) auf Austenitisierungstemperatur, wobei Diffusionsprozesse zwischen dem Basismaterial und der Vorbeschichtung (4) stattfinden; und Warmumformen (S4) der erwärmten Platine (22), wobei die erwärmte Platine (22) umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahlprodukt (42) mit Beschichtung erzeugt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Stahlprodukts
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten gehärteten Stahlprodukten, insbesondere zur Verwendung als Strukturbauteil eines Kraftfahr- zeugs.
Es ist bekannt, metallische Bauteile zum Korrosionsschutz zu beschichten sowie diese mittels Warmumformen zu Formteilen umzuformen. Für sicherheitsrelevante Karosse riebauteile von Kraftfahrzeugen werden in der Praxis beispielsweise Aluminium-Sili- zium-beschichtete hochfeste sowie ultrahochfeste Vergütungsstähle, im Speziellen mangan-borhaltige Vergütungsstähle wie beispielsweise 22MnB5 oder 34MnB5 ein gesetzt.
Beispielsweise ist aus der WO 2009/090555 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines heißgestanzten beschichteten Stahlabschnitts bekannt, mit den Schritten: Vorbe schichten eines Stahlstreifens mit Aluminium oder Aluminiumlegierung durch Schmelztauchen, wobei die Dicke der Vorbeschichtung 20 bis 33 Mikrometer auf jeder Seite aufweist, Schneiden des vorbeschichteten Stahlstreifens zu einem Stahlab schnitt, Heizen des Stahlabschnitts in einem Ofen, Übertragen des aufgeheizten Stahl- abschnitts in ein Presswerkzeug, Heißstanzen des Stahlabschnitts im Presswerkzeug, und Abkühlen des Stahlabschnitts.
Aus der DE 10 2007 019 196 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen von flexibel gewalz tem Bandmaterial mit einer kathodischen Korrosionsschutzschicht bekannt. Das Be- schichten des Bandmaterials erfolgt bei erhöhter Bandtemperatur in einem Zinkpott (hot dipped galvanized Steel). Die Zinkbeschichtung wird im gleichen Verhältnis abgewalzt, wie die eigentliche Banddicke, wobei eine Beschichtungsenddicke nach dem Flexiblen Walzen von größer gleich 7,5 Mikrometer angestrebt wird.
Aus der WO 2008/1 13426 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Blechbauteils bekannt, wobei ein Warm- oder Kaltband schmelztauchbeschichtet oder elektrolytisch beschichtet wird und anschließend einem flexiblen Walzprozess unterzogen wird. Beim flexiblen Walzprozess werden durch unterschiedliche Walzdrücke unterschiedli che Blechdicken des flexibel gewalzten Stahlbandes hergestellt. Abgestimmt auf die Blechdicke nach dem flexiblen Walzen wird die Beschichtung beim Beschichten unter- schiedlich dick ausgebildet, wobei abhängig vom Walzdruck mit steigendem zu erwar tenden Walzdruck die Beschichtungsdicke größer ausgebildet wird.
Aus der WO 2006 097 237 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zum Schmelztauch beschichten von warmgewalztem Stahlband bekannt. Das Stahlband durchläuft eine Beizstation, eine Spülstation, eine Trockenstation, einen Erwärmungsofen und dann ein Schmelzbad. Die Fertigdicke und die Dickentoleranz des schmelztauchbeschich- teten Stahlbandes werden durch eine kontrollierte Dickenreduktion in einem Walzge rüst in der Prozesslinie dadurch erreicht, dass die Fertigdicke im Auslauf des Walzge rüstes durch ein Dickenmessgerät kontrolliert und Abweichungen von der Solldicke als Stellsignal auf die Anstellung des Walzgerüstes zurückgeführt wird.
Aus der WO 2016/198186 A1 ist ein Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbau teils bekannt. Das Stahlbauteil wird mit einer korrosionsfesten Zunderschutzschicht versehen und vor der Warmumformung erfolgt eine Oberflächenoxidation, in der eine korrosionsfeste Oxidationsschicht auf der Zunderschutzschicht gebildet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten und gehärteten Bauteils vorzuschlagen, insbesondere als Struk turbauteil für ein Kraftfahrzeug, das eine gute Korrosionsschutzbeständigkeit in Berei- chen mit unterschiedlichen Dicken aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts mit den Schritten: Bereitstellen eines Stahlsubstrats mit einem Basismaterial aus einem härtbaren Stahl; Beschichten des Stahlsubstrats mit einer Aluminium enthaltenden Vorbeschichtung, um ein vorbeschichtetes Stahlsubstrat zu erzeugen, wobei die Beschichtung des vorbeschichteten Stahlsubstrats eine Dicke (d1 ) von mindestens 34 Mikrometern (gm) aufweist; Flexibles Walzen des vorbe- schichteten Stahlsubstrats derart, dass aufeinander folgende Abschnitte des vorbe schichteten Stahlsubstrats unterschiedlich stark ausgewalzt werden, um eine variable Dicke über der Länge des vorbeschichteten Stahlsubstrats zu erzeugen, wobei die Vorbeschichtung nach dem Flexiblen Walzen in dünneren ersten Abschnitten eine re duzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 33 Mikrometern und in dickeren zweiten Abschnitten eine reduzierte zweite Dicke (d2b) aufweist, die dicker ist als die reduzierte erste Dicke (d2a); Flerausarbeiten einer Platine aus dem flexibel gewalzten Bandma terial; Erwärmen der Platine derart, dass das Basismaterial der Platine zumindest teil weise austenitisiert wird, wobei durch das Erwärmen Diffusionsprozesse zwischen dem Basismaterial und der Vorbeschichtung stattfinden; Warmumformen der erwärm- ten Platine, wobei die erwärmte Platine umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahlprodukt mit Beschichtung erzeugt wird.
Ein Vorteil ist, dass das Substrat auch nach dem Flexiblen Walzen eine ausreichend dicke Beschichtung aufweist. Dabei hat sich gezeigt, dass die Beschichtung beim Er- wärmen für das nachfolgende Warmumformen aufgrund der Diffusionsprozesse an wächst, so dass die Enddicke der Beschichtung nach dem Warmumformen größer ist als die jeweilige Beschichtungsdicke nach dem Flexiblen Walzen und vor dem Erwär men für die Warmumformung. Dadurch, dass die Vorbeschichtung eine Dicke von min destens 34 Mikrometern aufweist ist die Beschichtung trotz der Dickenreduktion, die sich im Rahmen des Flexiblen Walzens ergibt, aufgrund der nachfolgenden Erwär mung für die Warmumformung auch in den dünneren ersten Abschnitten hinreichend dick, um einen guten Korrosionsschutz zu erreichen. In den dickeren Abschnitten des fertigen Bauteils, die in der Regel höheren Belastungen standhalten müssen, ist auch die Beschichtung entsprechend dicker, so dass diese Abschnitte besonders gut ge- schützt sind. Insgesamt ergibt sich damit ein belastungsoptimiertes beziehungsweise gewichtsreduziertes Bauteil mit ausgezeichnetem Beschichtungsschutz in allen Di ckenbereichen. Das Stahlsubstrat kann beispielsweise ein härtbarer beziehungsweise vergütbarer, insbesondere manganhaltiger Stahlwerkstoff sein. Dieser kann neben Mangan weitere Mikrolegierungselemente beinhalten. Der Stahlwerkstoff kann beispielsweise folgende Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhalten:
Kohlenstoff (C) mit mindestens 0,15 % und höchstens 0,5 %, insbesondere höchstens 0,4 %;
Mangan (Mn) mit mindestens 0,5 % und höchstens 5,0 %, insbesondere mindestens 0,8 % und höchstens 2,5 %;
Aluminium (AI) mit höchstens 0,1 %;
Silizium (Si) mit mindestens 0,1 % und höchstens 0,9 %, insbesondere höchstens 0,5 %;
Chrom (Cr) mit mindestens 0,01 % und höchstens 1 ,0 %;
Tital (Ti) mit höchstens 0,02 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Bor (B) mit mindestens 0,0005 und höchstens 0,080 %, insbesondere mindestens 0,002 % und höchstens 0,006 %;
Phosphor (P) mit höchstens 0,1 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Schwefel (S) mit höchstens 0,05 %, insbesondere höchstens 0,01 ;
optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1 ,55 % (1550 ppm); den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen.
Als optionale weitere Legierungselemente kann das Substrat jeweils in Gewichtspro zent insbesondere zumindest eines von:
Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %;
Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %;
Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %;
Molybdän (Mo) mit höchstens 1 ,0 %;
Vanadium (V) mit höchstens 0,25 %;
beinhalten, ohne hierauf eingeschränkt zu sein. Der Masseanteil der optionalen Legie rungselemente kann auch geringer sein, beispielsweise kann Molybdän auch mit höchstens 0,8 %, 0,5 % oder 0,25 % enthalten sein. Der Masseanteil der optionalen Legierungselemente beträgt in Summe maximal 1 ,55 %, insbesondere maximal 1 ,0 %, insbesondere maximal 0,8 %. Das Legierungselement Niob bewirkt in vorteilhafter Weise eine feinkörnige Struktur eines aus der Legierung warmumgeformten Bauteils. Insbesondere im Zusammenwirken mit Molybdän, das ein Kornwachstum hemmen kann, ergibt sich eine besonders feinkörnige Struktur, was sich wiederum günstig auf die Festigkeit des hieraus hergestellten Bauteils auswirkt.
Beispiele für verwendbare bor-manganhaltige Stahlwerkstoffe sind 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 oder 34MnB5. Das Ausgangsmaterial (Bandmaterial) kann eine Zugfestigkeit von beispielsweise mindestens 450 MPa aufweisen. Ein aus dem beschichteten Stahlsubstrat hergestelltes Formteil kann eine Endzugfestigkeit von beispielsweise mindestens 1 100 MPa, insbesondere mindestens 1500 MPa auf weisen. Es ist auch möglich, dass bestimmte Teilbereiche des Formteils, wo erforder lich, auf eine niedrigere Zugfestigkeit von weniger als 1 100 MPa und dafür höherer Duktilität eingestellt werden. Das Stahlsubstrat kann eine Anfangsdicke von beispiels weise zwischen 1 ,0 und 4,0 mm aufweisen.
Vorzugsweise enthält die Beschichtung zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium, was die Möglichkeit der Verwendung einer reinen Aluminium-Beschichtung (100 Gew.% AI) mit umfasst, ebenso wie die Verwendung einer Legierung, die als Hauptle- gierungsbestandteil Aluminium mit mindestens 85 Gewichtsprozent und optional wei tere Legierungsbestandteile enthält, beispielsweise Silizium mit beispielsweise zwi schen 5 und 15 Gewichtsprozent und/oder Eisen mit bis zu 5 Gewichtsprozent und/o der ein oder mehrere andere Legierungselemente in geringeren Anteilen. Der Anteil der anderen Legierungselemente, beispielsweise zumindest eines aus der Gruppe von Mn, Cr, Ti, B, P, S, Cu, Ni, Nb, Mo, V, kann zusammen beispielsweise bis zu 1 ,5 Ge wichtsprozent betragen. Im Rahmen der vorliegende Offenbarung wird aufgrund des Hauptbestandteils Aluminium allgemein auch die Bezeichnung Aluminium-Beschich tung oder Aluminium-basierte Beschichtung verwendet, womit die genannten Möglich keiten anderer Legierungszusammensetzungen begrifflich mit umfasst sein sollen. Die Aluminium-Beschichtung kann beispielsweise im Schmelztauchverfahren in einem Schmelzbad mit mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium und gegebenenfalls wei teren Legierungsbestandteilen oder anderen üblichen Beschichtungsverfahren auf das Stahlsubstrat aufgetragen werden. Eine beispielhafte Zusammensetzung des Schmelzbads beziehungsweise der aufgebrachten Beschichtung kann bis zu 3 Ge wichtsprozent Eisen, 9 bis 12 Gewichtsprozent Silizium, optional ein oder mehrere weitere Legierungselemente mit zusammen bis zu 1 ,5 Gewichtsprozent, und Rest Alu minium enthalten. Es versteht sich, dass ferner unvermeidbare Verunreinigungen ent halten sein können. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Vorbeschichtung mit einer Dicke (d1 ) von mindestens 36 Mikrometern, insbesondere mindestens 40 Mikrometern auf das Stahlsubstrat aufgebracht. Das so vorbeschichtete Stahlsubstrat bildet die Grundlage für ein hieraus herzustellendes gehärtetes Bauteil mit variablen Dicken. Das Beschich ten des Stahlsubstrats kann beispielsweise mittels Schmelztauchbeschichtung aufge- bracht werden, wobei das Stahlsubstrat in ein Becken mit geschmolzenem Beschich tungsmaterial getaucht wird. Es versteht sich, dass andere bekannte Beschichtungs verfahren ebenso verwendet werden können.
Das vorbeschichtete Stahlsubstrat wird nach dem Vorbeschichten flexibel gewalzt, wo- bei es sich versteht, dass weitere Schritte, wie Erwärmen, zum Coil auf- beziehungs weise vom Coil abwickeln, richten, reinigen oder dergleichen zwischengeschaltet sein können. Optional kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Stahlsubstrat nach dem Aufbringen der Vorbeschichtung in der Beschichtungsanlage erwärmt wird, um ein Vordiffundieren zwischen der Vorbeschichtung und dem Stahlsubstrat zu errei- chen. Das Erwärmen zum Vordiffundieren wird bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials durchgeführt, beispielsweise in ei nem Temperaturfenster zwischen dem 0,5-fachen und 0,9-fachen der Schmelztempe ratur des Beschichtungsmaterials. Durch die Vordiffusion bildet sich schon im Rahmen des Beschichtungsprozesses eine dickere Interdiffusionszone zwischen dem Grund- material des Stahlsubstrats und dem Beschichtungsmaterial aus. Dies ermöglicht es, das Erwärmen im Rahmen der Warmumformung schneller durchzuführen, was sich insgesamt günstig auf die Taktzeiten bei der Warmumformung auswirkt.
Beim Flexiblen Walzen wird Bandmaterial mit im Wesentlichen einheitlicher Blechdi- cke durch Verändern des Walzspalts während des Prozesses zu Bandmaterial mit va riabler Blechdicke über der Länge ausgewalzt. Die durch das Flexible Walzen erzeug ten Abschnitte unterschiedlicher Dicke erstrecken sich quer zur Längsrichtung bezie- hungsweise Walzrichtung des Bandmaterials. Das Bandmaterial kann nach dem Fle xiblen Walzen auf einfache Weise wieder zum Coil aufgewickelt werden und an ande rer Stelle der Weiterverarbeitung zugeführt werden, oder es kann direkt weiterverar beitet werden, beispielsweise durch Ablängen des Bandmaterials zu einzelnen Blechelementen.
Das Flexible Walzen kann mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke (d1 ) des vorbeschichten Stahlsubstrats durch geführt werden, insbesondere mit Abwalzgraden zwischen 3 % und 55 %. Durch das Flexible Walzen wird mit dem Stahlsubstrat auch die Dicke der Vorbeschichtung ent sprechend reduziert. Dabei kann die Vorbeschichtung nach dem Flexiblen Walzen in dünneren ersten Abschnitten insbesondere eine reduzierte erste Dicke (d2a) von we niger als 20 Mikrometern aufweisen. Alternativ oder in Ergänzung wird das Flexible Walzen so durchgeführt, dass die Vorbeschichtung nach dem Flexiblen Walzen in di- ckeren zweiten Abschnitten eine reduzierte zweite Dicke (d2b) von mehr als 33 Mikro metern aufweist, insbesondere von mehr als 36 Mikrometern. Es versteht sich, dass zwischen dünnsten Abschnitten und dicksten Abschnitten des Bandmaterials, je nach gewünschter Bauteilgeometrie, noch beliebig andere Dickenbereiche beziehungs weise Übergangsbereiche dazwischenliegen können.
In einem dem Flexiblen Walzen nachgelagerten Verfahrensschritt werden aus dem flexibel gewalzten Bandmaterial Platinen erzeugt. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Vereinzeln bezeichnet. Das Vereinzeln kann durch mechanisches Schneiden oder mittels Laserschneiden durchgeführt werden. Die Bezeichnung Platinen soll im Rah- men der vorliegenden Offenbarung sowohl rechteckige Blechtafeln, die aus dem Band material herausgetrennt worden sind, als auch Formschnitte mit umfasst sein. Form schnitte sind aus dem Bandmaterial herausgearbeitete Blechelemente, deren Außen kontur an die Form des Endprodukts bereits angepasst ist. Die Blechplatinen werden nach dem Vereinzeln warmumgeformt, wobei gegebenen falls weitere Verfahrensschritte zwischengeschaltet sein können. Zum Warmumfor- men wird die Platine zumindest in einem Teilbereich auf Austenitisierungstemperatur erwärmt; anschließend in ein Warmformwerkzeug eingelegt und im Warmformwerk zeug umgeformt und schnell abgekühlt, so dass ein gehärtetes Formteil entsteht. Das Erwärmen wird in einer geeigneten Wärmeeinrichtung, beispielsweise in einem Durch laufofen vorgenommen. Mit Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur ist ein Tempe- raturbereich gemeint, bei dem zumindest eine Teilaustenitisierung erfolgt beziehungs weise vorliegt, also eine Gefügestruktur im Zweiphasengebiet Ferrit und Austenit. Hier für wird die Platine auf eine Temperatur oberhalb Ac1 , das heißt der Temperatur, bei der die Bildung von Austenit beginnt, erwärmt. Beispielsweise kann die Platine auf eine Temperatur von über 880 °C und/oder bis zu 960 °C erwärmt werden. Nach einer mög- liehen Ausführung wird die Platine zum Austenitisieren zumindest bis zum Erreichen einer Temperatur von 700 °C mit einer Aufheizrate von mehr als 12 K/sec erwärmt. Durch ein schnelles Aufheizen wird die Herstellungszeit reduziert. Nach dem Erwär men auf Austenitisierungstemperatur und Einlegen in das Warmformwerkzeug wird die Platine umgeformt und schnell abgekühlt. Durch das schnelle Abkühlen des Formteils im Umformwerkzeug wird eine gehärtete, zumindest teilweise martensitische Gefü gestruktur im Bauteil erzeugt. Dieser Prozess des Warmumformens und schnellen Ab kühlen in einem Umformwerkzeug wird auch als Presshärten bezeichnet.
Durch das Erwärmen und Warmumformen wird aus der Vorbeschichtung und dem da- runter liegenden Stahlsubstrat die Beschichtung gebildet, die aufgrund von Diffusions prozessen gegenüber der Dicke der Vorbeschichtung anwächst. Dabei wird die erste Enddicke (d3a) in den dünneren ersten Abschnitten des fertigen Bauteils vorzugsweise mit mehr als 15 Mikrometern, insbesondere mehr als 20 Mikrometern gebildet, und weniger als 50 Mikrometern, insbesondere weniger als 40 Mikrometern gebildet. Alter- nativ oder in Ergänzung kann die Beschichtung nach dem Warmumformen in den di ckeren zweiten Abschnitten eine zweite Enddicke (d3b) von weniger als 60 Mikrome tern, insbesondere weniger als 50 Mikrometer und/oder mehr als 30 Mikrometern, ins besondere mehr als 35 Mikrometern aufweisen. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Beschichtung in den dünneren Bereichen in Rahmen der Warmumformung stärker anwächst als in dickeren Bereichen. Insbe sondere wird die Beschichtung mit einem Enddickenverhältnis (d3a/d3b) der ersten Enddicke (d3a) zur zweiten Enddicke (d3b) gebildet, das größer ist, als ein Zwischen dickenverhältnis (d2a/d2b) der reduzierten ersten Dicke (d2a) zur reduzierten zweiten Dicke (d2b). Auf diese Weise gleichen sich die unterschiedlichen Beschichtungsdicken insgesamt in vorteilhafter Weise aneinander an, so dass insgesamt ein guter Korrosi- onsschutz in allen Abschnitten des Bauteils erreicht wird.
Das Warmumformen kann nach einer ersten Möglichkeit als indirekter Prozess durch geführt werden, der die Teilschritte Kaltvorformen, anschließendes Erwärmen des kalt vorgeformten Bauteils auf Austenitisierungstemperatur sowie anschließendes Warm- umformen zur Erzeugung der Endkontur des Erzeugnisses umfasst. Das Warmumfor men kann nach einer zweiten Möglichkeit auch als direkter Prozess durchgeführt wer den, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil direkt auf Austenitisierungstem peratur erwärmt und anschließend zur gewünschten Endkontur in einem Schritt warm- umgeformt wird. Ein vorhergehendes (kaltes) Vorformen findet hier nicht statt.
Nach einer möglichen Ausführungsform kann die Beschichtung vor dem Umformen im Umformwerkzeug so hergestellt werden, dass auf der Oberfläche eine Metalloxid schicht ausgebildet wird. Eine Metalloxidschicht ist korrosionsfest und reaktionsträge, so dass ein Werkzeugverschleiß im Rahmen des Umformens reduziert wird. Sofern eine Metalloxidschicht auf der Beschichtungsoberfläche ausgebildet ist, beziehen sich die in der vorliegenden Offenbarung für den Zustand nach dem Warmumformen an gegebenen Schichtdicken auf die Gesamtbeschichtungsdicke, also inklusive Oxid schicht. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfigu ren erläutert. Hierin zeigt
Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines be schichteten, gehärteten Formteils;
Figur 2A einen Ausschnitt des beschichteten Stahlsubstrat nach dem Vorbeschich ten in vergrößerter schematischer Darstellung; Figur 2B einen Ausschnitt des beschichteten Stahlsubstrat nach dem Flexiblen Wal zen in vergrößerter schematischer Darstellung; und
Figur 2C einen Ausschnitt des beschichteten und flexibel gewalzten Stahlsubstrats nach dem Warmumformen in vergrößerter schematischer Darstellung.
Die Figuren 1 und 2A bis 2C werden nachstehend gemeinsam beschrieben.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Fierstellung eines gehärteten Er zeugnisses aus einem beschichteten Stahlsubstrat 2. Das Stahlsubstrat wird in Band form auch als Stahlband oder allgemein als Bandmaterial bezeichnet. In vereinzeltem Zustand wird das Stahlsubstrat auch als Platine bezeichnet.
Als Stahlsubstrat 2 ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein härtbares Stahl flachprodukt mit umfasst, das beispielsweise die folgenden Anteile an Legierungsele menten jeweils in Gewichtsprozent beinhalten kann:
Kohlenstoff (C) mit mindestens 0,15 % und höchstens 0,5 %, insbesondere höchstens 0,4 %;
Mangan (Mn) mit mindestens 0,5 % und höchstens 5,0 %, insbesondere mindestens 0,8 % und höchstens 2,5 %;
Aluminium (AI) mit höchstens 0,1 %;
Silizium (Si) mit mindestens 0,1 % und höchstens 0,9 %, insbesondere höchstens 0,5 %;
Chrom (Cr) mit mindestens 0,01 % und höchstens 1 ,0 %;
Tital (Ti) mit höchstens 0,02 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Bor (B) mit mindestens 0,0005 und höchstens 0,080 %, insbesondere mindestens 0,002 % und höchstens 0,006 %;
Phosphor (P) mit höchstens 0,1 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Schwefel (S) mit höchstens 0,05 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1 ,55 % (1550 ppm); den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen. Unter diese Legierungszusammensetzung fallen beispielsweise bor-manganhaltige Stahlwerkstoffe wie 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 und 34MnB5. Der Stahlwerkstoff kann im Ausgangszustand eine Streckgrenze von beispielsweise 150 bis 1 100 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von mindestens 450 MPa aufweisen. Die optionalen weiteren Legierungselemente können ausgewählt sein aus der Gruppe: Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %;
Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %;
Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %;
Molybdän (Mo) mit höchstens 1 ,0 %;
Vanadium (V) mit höchstens 0,25 %;
ohne hierauf eingeschränkt zu sein, wobei sich die genannten Prozentangaben jeweils auf Masseprozent des Stahlsubstrats beziehen. Es können ein oder mehrere der ge nannten optionalen Legierungselemente verwendet werden. Der Masseanteil der op tionalen Legierungselemente beträgt in Summe maximal 1 ,55 %, insbesondere maxi mal 1 ,0 %, vorzugsweise maximal 0,8 %.
Im Verfahrensschritt S1 wird das Stahlsubstrat 2, das im Ausgangszustand auf einem Coil 3 aufgewickelt sein kann, mit einer Vorbeschichtung 4 versehen. In auf das Stahlsubstrat aufgebrachtem Zustand enthält die Vorbeschichtung 4 Aluminium mit zumindest 85 Gewichtsprozent und Silizium mit bis zu 15 Gewichtsprozent. Es versteht sich, dass andere Legierungselemente zulasten des Silizium-Anteils mit enthalten sein können, beispielsweise Eisen und/oder andere Legierungselemente mit insgesamt bis zu 5 Gewichtsprozent. Die Vorbeschichtung 4 kann mit generell bekannten Verfahren auf das Stahlsubstrat 2 aufgebracht werden. Eine Möglichkeit ist das Aufbringen im Schmelztauchverfahren. Dabei durchläuft das Stahlsubstrat 2 in einer Beschichtungs anlage 6 ein Schmelzbad 5 aus flüssigem Beschichtungsmaterial 4, welches an der Oberfläche des Substrats 2 anhaftet, so dass ein vorbeschichtetes Stahlsubstrat er zeugt wird. Die Schmelze des Beschichtungsmaterials kann beispielsweise 8 bis 15 Gewichtsprozent Silizium, 2 bis 4 Gewichtsprozent Eisen, optional ein oder mehrere weitere Legierungselemente, wie beispielsweise zumindest eines aus der Gruppe von Mn, Cr, Ti, B, P, S, Cu, Ni, Nb, Mo, V, von zusammen bis zu 1 ,5 Gewichtsprozent, und als Rest Aluminium sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen enthalten. Die Vorbeschichtung 4 wird mit einer Dicke d1 von mindestens 36 Mikrometern, ins besondere mindestens 40 Mikrometern auf das Stahlsubstrat 2 aufgebracht. Die Be schichtungsdicke d1 kann eine maximale Dicke von 60 Mikrometern aufweisen, insbe sondere von bis zu 50 Mikrometern. Figur 2A zeigt schematisch einen Ausschnitt des Stahlsubstrats 2 mit Vorbeschichtung 4, wobei die Kombination aus Stahlsubstrat mit Vorbeschichtung mit Bezugszeichen 2‘ versehen ist.
Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 wird das beschichtete Stahlsubstrat 2‘ flexibel gewalzt (S2). Hierfür wird das beschichtete Stahlband 2‘, das vor dem Fle- xiblen Walzen eine weitestgehend konstante Blechdicke D1 über der Länge aufweist, mittels Walzen 7, 8 derart gewalzt, das es längs der Walzrichtung eine variable Blech dicke D2a, D2b, D2c erhält. Das beschichtete und flexibel gewalzte Stahlsubstrat ist mit dem Bezugszeichen 12 versehen. Während des Walzens wird der Prozess überwacht und gesteuert, wobei die von einer Blechdickenmessung 9 ermittelten Daten als Eingangssignal zur Steuerung der Wal zen 7, 8 verwendet werden. Das Flexible Walzen wird entsprechend dem gewünschten Solldickenprofil einer aus dem Bandmaterial 12 zu schneidenden Platine beziehungs weise einem hieraus herzustellenden Bauteil durchgeführt. Dabei kann das Flexible Walzen mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke D1 des vorbeschichten Stahlsubstrats 2‘ durchgeführt werden, insbesondere mit Abwalzgranden zwischen 3 % und 55 %. In Figur 2B ist ein Aus schnitt des vorbeschichteten Stahlsubstrats 12 nach dem Flexiblen Walzen gezeigt. Es ist erkennbar, dass das flexibel gewalzte Bandmaterial 12 nach dem Walzen stärker ausgewalzte erste Bereiche a mit einer ersten Dicke D2a und weniger stark ausge walzte zweite Bereiche b mit einer zweiten Dicke D2b sowie dazwischen liegende Übergangsbereiche c mit variabler Dicke D2c aufweist. Dabei vollzieht sich im Rahmen des Flexiblen Walzens eine Dickenreduktion sowohl im Substrat 2 als auch entspre chend in der Vorbeschichtung 4. Mit steigendem Walzendruck nimmt also sowohl die Dicke des Substrats 2 als auch die Dicke der darauf aufgebrachten Vorbeschichtung 4 ab. Die Vorbeschichtung 4 hat nach dem Flexiblen Walzen in den dünneren ersten Abschnitten a eine reduzierte erste Dicke d2a von insbesondere weniger als 20 Mik rometern, und in dickeren zweiten Abschnitten b eine reduzierte zweite Dicke d2b von insbesondere mehr als 33 Mikrometern, vorzugsweise von mehr als 36 Mikrometern.
Nach dem Flexiblen Walzen kann das Bandmaterial 12 wieder zum Coil 3 aufgewickelt werden, so dass es zu einer nachfolgenden Bearbeitungsstation transportiert werden kann. Nach dem Walzprozess kann das Stahlband 12 in einem nachfolgenden Verfah rensschritt geglättet werden, was in einer Bandrichtvorrichtung erfolgt. Der Verfahrens schritt des Glättens ist optional und kann auch weggelassen werden.
Nach dem Flexiblen Walzen (S2) beziehungsweise Glätten (falls vorgesehen) wird das beschichtete und flexibel gewalzte Stahlband 12 im Verfahrensschritt S3 vereinzelt. Dabei werden aus dem Stahlband 12 einzelne Blechplatinen 22 herausgearbeitet, bei spielsweise mittels einer Stanz- und/oder Schneidvorrichtung 10. Je nach Form der zu fertigenden Blechplatinen 22 können diese aus dem Bandmaterial 12 als Formschnitt ausgestanzt werden, wobei ein nicht weiterverwendeter Rand als Schrott wegfällt, oder das Bandmaterial 12 kann einfach in Teilstücke abgelängt werden.
Die Platinen 22 werden in einem nachfolgenden Schritt S4 warmumgeformt, was auch als Presshärten bezeichnet werden kann. Beim Warmumformen beziehungsweise Presshärten wird die Platine 22 auf eine Temperatur erwärmt, die in der Regel ober- halb der AC1 beziehungsweise AC3-Temperatur des Werkstoffs liegt, beispielsweise zwischen 750 °C bis 1000°C. Das Erwärmen kann durch geeignete Verfahren durch geführt werden, wie beispielsweise mittels induktiver Erwärmung, konduktiver Erwär mung, Erwärmung im Rollenherdofen, Kontakterwärmung durch heiße Platten, Infra rot, oder andere bekannte Verfahren. Nach dem Erwärmen auf Austenitisierungstem- peratur wird die Platine 22 anschließend in ein Warmformwerkzeug 1 1 eingelegt und hierin umgeformt und derart schnell abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt, dass zumindest teilweise ein martensitisches Härtegefüge im so hergestellten Formteil ent steht. Das Warmumformen (S4) kann nach einer ersten Möglichkeit als direkter Prozess durchgeführt werden. Dabei wird die Platine 22 direkt auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend zur gewünschten Endkontur in einem Schritt warmumge- formt. Ein vorhergehendes (kaltes) Vorformen findet hier nicht statt. Das Warmumfor- men kann nach einer zweiten Möglichkeit auch als indirekter Prozess durchgeführt werden, der die Teilschritte Kaltvorformen, anschließendes Erwärmen des kalt vorge formten Bauteils auf Austenitisierungstemperatur sowie anschließendes Warmumfor- men zur Erzeugung der Endkontur des Formteils umfasst.
Aufgrund der im Rahmen des Warmumformens durchgeführten Erwärmung der Pla tine 22 finden Diffusionsprozesse zwischen dem Grundmaterial des Stahlsubstrats 2 und dem Beschichtungsmaterial 4 statt. Dabei diffundiert Eisen aus dem Stahlsubstrat 2 in das Beschichtungsmaterial 4, so dass die Dicke d3 der Beschichtung 4 gegenüber der nach dem Flexiblen Walzen vorliegenden Dicke d2 insgesamt zunimmt, das heißt die Beschichtungsdicken d3a, d3b des warmumgeformten Bauteils 32 sind jeweils di cker als die entsprechenden Beschichtungsdicken d2a, d2b vor der Warmumformung. Die Haltezeit zum Austenitisieren der beschichteten Platine 22 hängt von der gewähl- ten Temperatur ab und kann zwischen 4 und 10 Minuten liegen. Vorzugsweise hat die Beschichtung 4 des warmumgeformten Erzeugnisses 32 in den dünneren ersten Ab schnitten a eine Beschichtungs-Enddicke d3a von mehr als 15 Mikrometern, insbeson dere mehr als 20 Mikrometern. In den dickeren zweiten Abschnitten b kann die Be schichtung 4 nach dem Erwärmen beziehungsweise Warmumformen eine zweite End- dicke d3b insbesondere von mehr als 30 Mikrometern, vorzugsweise mehr als 35 Mik rometern aufweisen. Für eine gute Schweißbarkeit des hergestellten Bauteils ist es günstig, wenn die Enddicke d3a der Beschichtung 4 in den dünnen Bereichen a kleiner als 50 Mikrometern, insbesondere kleiner als 40 Mikrometern ist, und in den dickeren Bereichen b kleiner als 60 Mikrometer, insbesondere kleiner als 50 Mikrometer ist.
Optional kann vor der Warmumfomung (S4) eine Oberflächenoxidation des beschich teten und flexibel gewalzten Substrats 2 vorgenommen werden. Dabei wird eine Oxi dationsschicht auf der Beschichtung 4 ausgebildet. Dies führt zu einer höheren Wär meabsorption, so dass die Aufheizzeiten verkürzt werden können. In einer günstigen Verfahrensführung kann die Platine im Rahmen der Warmumformung zumindest bis zum Erreichen einer Temperatur von 700°C mit einer Aufheizrate von mehr als 12 K/sec erwärmt werden. Bezugszeichenliste
2 Stahlsubstrat
3 Coil
4 Beschichtung
5 Schmelzbad
6 Beschichtungsvorrichtung
7 Walzen
8 Walzen
9 Dickenregelung
10 Schneidvorrichtung 1 1 Warmformwerkzeug 12 flexibel gewalztes Substrat 22 Platine
32 Warmformteil
a erster Abschnitt
b zweiter Abschnitt c Übergangsabschnitt
D Dicke (2+4)
d Dicke (4)
S1 -S4 Verfahrensschritte

Claims

Muhr und Bender KG 10. Juli 2019Mubea-Platz 1 Oy/- (2019007009)57439 Attendorn Q18103W010 Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Stahlprodukts Ansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts umfassend:
Bereitstellen eines Stahlsubstrats (2) mit einem Basismaterial aus einem härt baren Stahl;
Beschichten (S1 ) des Stahlsubstrats (2) mit einer Aluminium enthaltenden Vor beschichtung (4), wobei die Vorbeschichtung (4) mit einer Dicke (d1 ) von min destens 34 Mikrometern (pm) auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird;
Flexibles Walzen (S2) des vorbeschichteten Stahlsubstrats (2), wobei aufei nander folgende Abschnitte (a, b, c) des vorbeschichteten Stahlsubstrats (2) unterschiedlich stark ausgewalzt werden, wobei die Vorbeschichtung durch das Flexible Walzen in dünneren ersten Abschnitten (a) eine reduzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 33 Mikrometern und in dickeren zweiten Abschnitten (b) auf eine reduzierte zweite Dicke (d2b), die dicker ist als die reduzierte erste Dicke (d2a), erhält;
Herausarbeiten (S3) einer Platine (22) aus dem flexibel gewalzten Stahlsub strat (2);
Erwärmen der Platine (22) derart, dass das Basismaterial der Platine (22) zu mindest teilweise austenitisiert wird, wobei durch das Erwärmen Diffusionspro zesse zwischen dem Basismaterial und der Vorbeschichtung (4) stattfinden; und
Warmumformen (S4) der erwärmten Platine (22), wobei die erwärmte Platine (22) umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahl produkt (32) mit Beschichtung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) mit einer Dicke (d1 ) von mindestens 36 Mikrome tern, insbesondere mindestens 40 Mikrometern auf das Stahlsubstrat (2) auf gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) durch das Flexible Walzen (S2) in den dünneren ersten Abschnitten (a) eine reduzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 20 Mikrometern erhält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) durch das Flexible Walzen (S2) in den dickeren zweiten Abschnitten (b) eine reduzierte zweite Dicke (d2b) von mehr als 33 Mikrometern erhält, insbesondere von mehr als 36 Mikrometern.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Vorbeschichtung (4) durch das Erwärmen und Warmumformen (S4) die Beschichtung gebildet wird,
mit einer ersten Enddicke (d3a) in den dünneren ersten Abschnitten (a), die größer ist als die reduzierte erste Dicke (d2a) und insbesondere zwischen 15 bis 50 Mikrometern beträgt, und
mit einer zweiten Enddicke (d3b) in den dickeren zweiten Abschnitten (b), die größer ist als die reduzierte zweite Dicke (d2b) und insbesondere zwischen 30 bis 60 Mikrometern beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung gebildet wird mit einem Enddickenverhältnis (d3a/d3b) der ersten Enddicke (d3a) zur zweiten Enddicke (d3b), das größer ist, als ein Zwischendickenverhältnis (d2a/d2b) der reduzierten ersten Dicke (d2a) zur re duzierten zweiten Dicke (d2b).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass Stahlsubstrat (2) mit einer Anfangsdicke von 1 ,0 bis 4,0 mm verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Flexible Walzen (S2) mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke des Stahlsubstrats (2) durch geführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung (4) mittels Schmelztauchbeschichtung auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stahlsubstrat (2) nach dem Aufbringen der Vorbeschichtung (4) in der Beschichtungsanlage (6) erwärmt wird, um ein Vordiffundieren zwischen der Vorbeschichtung (4) und dem Stahlsubstrat (2) zu erreichen.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Stahlsubstrat (2) ein härtbarer Stahl verwendet wird, der folgende An teile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhaltet:
Kohlenstoff (C) mit mehr als 0,15 % und weniger als 0,5 %;
Mangan (Mn) mit mehr als 0,5 % und weniger als 5,0 %;
Aluminium (AI) mit weniger als 0,1 %;
Silizium (Si) mit mehr als 0,1 % und weniger als 0,9 %;
Chrom (Cr) mit mehr als 0,01 % und weniger als 1 ,0 %; Tital (Ti) mit weniger als 0,2 %;
Bor (B) mit mehr als 0,0005 und weniger als 0,080 %;
Phosphor (P) mit weniger als 0,1 %;
Schwefel (S) mit weniger als 0,05 %;
optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1 ,55 %; den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass als optional weiteres Legierungselement zumindest eines von:
Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %;
Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %;
Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %;
Molybdän (Mo) mit höchstens 1 ,0 %;
Vanadium (V) mit höchstens 0,25 %;
jeweils in Gewichtsprozent, verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) mindestens 85 Gew.-% Aluminium enthält, und optional 5 bis 15 Gew.-% Silizium enthalten kann.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Oberfläche des beschichteten Stahlsubstrats (2) vor dem Warm- umformen eine Metalloxidschicht ausgebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Platine (22) zum Austenitisieren zumindest bis zum Erreichen einer Temperatur von 700 °C mit einer Aufheizrate von mehr als 12 K/sec erwärmt wird.
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