WO2020165114A1 - Verfahren zum herstellen eines stahlblechbauteils - Google Patents

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WO2020165114A1
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steel
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Dirk Rosenstock
Roger Bernd ROSSMANN
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Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a sheet steel component.
  • the invention also relates to a use of the sheet steel component.
  • Sheet steel components are manufactured using both direct and indirect hot forming processes.
  • Acl the microstructure transformation into austenite begins and when Ac3 or above is reached, an essentially completely austenitic structure is present.
  • the heating is also called “austenitizing" in specialist circles, especially when a complete conversion into austenite is to take place.
  • the warm (austenitized) steel workpiece is placed in a forming tool and hot formed.
  • the steel workpiece is cooled in this way, in particular within the forming tool, which is preferably actively cooled, so that the structure converts into a hard structure of martensite and / or bainite, preferably into martensite.
  • the cooling or quenching of the steel workpiece within the forming tool or by the action of a (hardening) tool, which has the final contour of the sheet metal component to be produced is also called "press hardening".
  • cooling / quenching can also take place outside of the forming tool / hardening tool, in particular in a (cold) medium, for example in an oil bath, and is referred to as “hardening”.
  • Heating and cooling curves for setting the required microstructure depend on the chemical composition of the hardenable steel workpiece used and can be seen or derived from so-called ZTA or ZTU diagrams.
  • Uncoated steel workpieces as well as coated steel workpieces provided with a metal layer protecting against corrosion and / or scale formation during the heating (austenitizing) can be used to manufacture sheet steel components.
  • the risk of scaling of the surface of the steel workpiece during heating is higher than with coated steel workpieces, so that uncoated steel workpieces in a protective gas atmosphere, for example in a furnace, the protective gas atmosphere inside the furnace being an inert gas, in particular a protective gas atmosphere based on nitrogen with a nitrogen content of almost 100%, which can prevent oxidation (scaling) on the surface of the steel workpiece.
  • the object is therefore to provide a method which allows a sheet steel component to be produced in such a way that the resulting sheet steel component has an improved property compared to the prior art.
  • the object is achieved with a method for producing a sheet steel component with the characteristics of claim 1 and with a use with the features of claim 11.
  • the method according to the invention comprises the following steps: - providing a hardenable, in particular uncoated steel workpiece, - at least partial heating of the steel workpiece to a temperature of at least Acl, with the at least partial heating taking place in an oven under a protective gas atmosphere, - hot forming and press hardening of the at least partially warm steel workpiece or hot forming and subsequent press hardening of the at least partially warm steel workpiece or hot forming and subsequent hardening of the at least partially warm steel workpiece or hardening of the at least partially warm steel workpiece or press hardening of the at least partially warm steel workpiece to produce a sheet steel component.
  • the protective gas atmosphere in the furnace comprises a carbon-containing gas and has a carbon level, which is set in such a way that after - hot forming and press hardening of the at least partially warm steel workpiece - or - hot forming and subsequent press hardening of the at least partially warm steel workpiece - or - hot forming and subsequent hardening of the at least partially warm steel workpiece - or - hardening of the at least partially warm steel workpiece - or - press hardening of the at least partially warm steel workpiece - a carbon content between -20% of the carbon content of the steel workpiece before the at least partial Heating up to 1.1% by weight (absolute in the near-surface area of the sheet steel component and regardless of the chemical composition of the steel workpiece / sheet steel component).
  • the protective gas atmosphere can be adapted to the steel workpiece or its chemical composition in such a way that the protective gas atmosphere, in particular, does not have a decarburizing or carburizing effect.
  • the invention proposes to use a carbon-containing gas inside the furnace to provide a carbon level in the furnace for at least partial, preferably complete heating of the steel workpiece to a temperature of at least Acl, preferably to a temperature of at least Ac3 or higher, in order to achieve a To reduce decarburization or, on the other hand, to prevent decarburization by the carbon-containing atmosphere or to effect carburization by diffusion of carbon from the carbon-containing atmosphere into the steel workpiece, in particular in the area of the steel workpiece / sheet steel component near the surface.
  • the carbon level in the protective gas atmosphere is provided in particular by carbon monoxide, the composition of the protective gas atmosphere in vol .-% in addition to carbon monoxide between 15 and 35%, in particular between 20 and 35%, at least from hydrogen between 15 and 55% and nitrogen as Remainder including contamination.
  • Expanse Re fractions such as carbon dioxide and / or water vapor can each be present up to 1.5% and / or traces of free oxygen.
  • a dew point temperature in ° C is set between -60 and +10, in particular between -40 and 0.
  • the protective gas atmosphere inside the furnace has a carbon level, which can be determined in the furnace atmosphere from the gas used, in particular by measuring the partial pressures (volume fractions) of the gas components carbon dioxide, water vapor and oxygen present in the furnace atmosphere in connection with the furnace temperature, so that a certain carbon level can be set via the gas composition.
  • a carbon level which can be determined in the furnace atmosphere from the gas used, in particular by measuring the partial pressures (volume fractions) of the gas components carbon dioxide, water vapor and oxygen present in the furnace atmosphere in connection with the furnace temperature, so that a certain carbon level can be set via the gas composition.
  • Propane, natural gas or methane, ethyne, methanol, acetone or isopropanol, for example are used as the carbon-containing gas.
  • the hydrocarbons contained in the carbon-containing gas decompose into carbon and hydrogen as a result of the thermal effect; in the case of carbon-oxygen-hydrogen compounds, carbon monoxide is added.
  • the carbon level in the protective gas atmosphere is set by increasing or reducing the addition of the carbon-containing gas to a carrier gas which flows through the furnace with a constant amount.
  • the carbon monoxide content can be used to regulate the carbon level, which, in particular in the case of carburization, is deposited as a carbon atom from the carbon-containing gas.
  • the maximum of the carbon level to be set is a maximum of 1.1% by weight, in particular a maximum of 1.0% by weight, preferably a maximum of 0.8% by weight , preferably at a maximum of 0.6% by weight, particularly preferably at a maximum of 0.5% by weight (absolutely in the surface area of the sheet steel component and independent of the chemical composition of the steel workpiece / sheet steel component).
  • leaflet 452 “Case hardening”, edition 2008, ISSN 0175-2006, published by the German Steel Federation, for example on pages 5 to 10.
  • Non-decarburizing is to be understood as meaning that the carbon content on the surface of the steel workpiece or sheet steel component is essentially retained in comparison to the carbon content of the steel workpiece before the at least partial heating, in which case Within the scope of measurement tolerances, fluctuations of +/- 5% are permissible.
  • Carburizing is to be understood to mean that the carbon content on the surface or in the near-surface area of the steel workpiece or sheet steel component is increased compared to the carbon content of the steel workpiece before the at least partial heating.
  • Hard is to be understood as meaning that the steel workpiece as a result of targeted heat treatment, as is carried out in direct and indirect hot forming for the production of a sheet steel component, the sheet steel component at least partially (partially / locally) has a higher hardness than the steel workpiece provided .
  • the “near-surface area” is the area starting from the surface of the steel workpiece or sheet steel component to a depth of at most 400 ⁇ m, in particular up to a maximum of 300 ⁇ m, preferably up to a maximum of 200 ⁇ m, preferably up to a maximum of 100 ⁇ m, particularly preferably up to a maximum 50 pm, understand.
  • the steel workpiece is preferably a flat or a pre-formed or near-final dimension formed sheet steel workpiece with a thickness of up to 25 mm, in particular up to 20 mm, preferably up to 15 mm, preferably up to 10 mm, particularly preferably up to 6 mm.
  • the steel workpiece has a thickness of at least 0.5 mm, in particular at least 1.0 mm, preferably at least 2.0 mm, preferably at least 3.0 mm.
  • the sheet steel workpiece is cut to the right in particular from a rolled flat steel product. Depending on the thickness, the flat steel product is a heavy plate, an uncoated hot-rolled strip (hot strip) or an uncoated cold-rolled strip (cold strip).
  • the steel workpiece is at least partially heated to a temperature of at least Acl.
  • the steel workpiece can also be fully heated to a temperature of at least Acl. If a (fully) austenitic structure is to be present at least partially, at least partial heating to a temperature of at least Ac3 or higher is necessary in order to be able to set a maximum hardness depending on the cooling rate and the chemical composition in relation to the steel workpiece used. Complete heating of the steel workpiece to a temperature of at least Ac3 or higher is also possible and preferred.
  • the direct hot forming takes into account the use of a flat steel workpiece, which a) after at least partial heating in a tool by means of hot forming and press hardening to a sheet steel part with an at least partially hard structure is hot formed and press hardened, which b) after at least partial heating in a war-
  • the forming tool is hot formed by means of hot forming and then either bl) is press-hardened in a hardening tool with an at least partially hard structure or b2) is hardened in a medium, in air or in a liquid medium, with an at least partially hard structure.
  • Indirect hot forming takes into account a steel workpiece that has already been preformed cold or has been formed close to its final dimensions, which after at least partial heating either c1) is press-hardened in a hardening tool with at least a partially hard structure or c2) in a medium, in air or in a liquid medium, is hardened with at least partially hard structure.
  • the hardening process can be preceded by additional warm forming.
  • the degree of deformation in the hardening tool, cf. bl) and cl), is minimal in comparison to the creation of the preform or near-net-shape geometry and can essentially correspond to a calibration step for producing the final geometry.
  • the steel workpiece remains in the furnace for between 1 and 300 minutes, in particular between 2 and 100 minutes, preferably between 3 and 30 minutes, preferably between 4 and 15 minutes.
  • the temperature and the composition of the protective gas atmosphere also have an influence on the degree of carburization in the near-surface area of the steel workpiece / sheet steel component.
  • the temperature is at least Acl, which is dependent on the chemical composition of the steel workpiece used, in particular the temperature is at least Ac3 or is set higher.
  • a temperature between 800 and 970 ° C., in particular between 830 and 950 ° C., is preferably set.
  • the furnace can be designed, for example, as a chamber furnace, in particular as a multi-layer chamber furnace.
  • the advantage of chamber furnaces is that the protective gas or furnace atmosphere can be better maintained and / or adjusted, since in particular there is no permanent opening, as is the case with roller hearth furnaces.
  • the furnace can be designed, for example, as a roller hearth furnace, where high productivity can be guaranteed.
  • the sheet steel component is fed to at least one blasting step.
  • the hardness on the surface can be increased at least partially, in particular completely on the sheet steel component, by mechanical action, since the introduction of compressive stresses into the surface, locally or completely on the sheet steel component, causes work hardening on the surface or in the area near the surface can.
  • the surface of the sheet steel component nevertheless scales, the surface can be descaled at the same time by the at least one blasting step.
  • All granular blasting media are suitable as blasting material, for example steel balls, steel scrap, blast furnace slag, sand, round, glass, etc., which can solidify or compact the surface.
  • the increase in hardness on the surface or in the area close to the surface can advantageously counteract the formation of cracks.
  • the at least partially warm steel workpiece does not come into contact with the ambient atmosphere and the at least partially warm steel workpiece is fed to hot forming and press hardening or to hot forming and subsequent hardening or press hardening or to hardening or press hardening under an inert gas atmosphere.
  • the at least partially warm steel workpiece is cooled during the hardening or press hardening to a temperature below Ms.
  • Ms Marten sit-Start
  • Temperature is fallen below in order to force the formation of a hard structure, in particular the conversion of partial austenite (temperature Acl to Ac3) or of full austenite (temperature above Ac3) into martensite.
  • the conversion to martensite is complete when the martensite finish (Mf) temperature is reached or not reached.
  • Hard structure is to be understood as a structure in the sheet steel component that has at least 70% martensite, in particular at least 80% martensite, preferably at least 90% martensite, with remaining structural components in the form of ferrite, pearlite, bainite, cementite , Austenite and / or retained austenite may be present.
  • the structure can particularly preferably consist only of martensite, so that the maximum hardness that can be achieved in the sheet steel component can thereby be achieved.
  • the specified structural components are determined by evaluating light or electron microscopic examinations and are therefore to be understood as area proportions in area%. An exception to this is the structural component austenite or retained austenite, which is specified as a volume percentage in% by volume.
  • the at least partially warm steel workpiece in particular completely warm steel workpiece, which is preferably heated to a temperature above Ac3, is partially hardened or partially press-hardened.
  • Partial hardening or partial press hardening has the advantage that different properties, for example hard and soft zones, can be set partially and in particular simultaneously in the sheet steel component depending on the requirements and / or intended use.
  • the sheet steel component is tempered, in particular at a temperature between 150 and 300 ° C. and a dwell time between 5 and 200 minutes.
  • the sheet steel component slightly loses its hardness set by the preceding hardening or press hardening, but it can lead to an increase in the yield point of the hardened sheet steel component and / or to a reduction in crack sensitivity.
  • a steel workpiece with the following chemical composition in% by weight is provided:
  • C 0.08 to 0.60; in particular 0.1 to 0.5; preferably 0.1 to 0.3;
  • Si 0.05 to 0.80; in particular 0.1 to 0.5; preferably 0.1 to 0.35;
  • Mn 0.1 to 2.2; in particular 0.3 to 1.8; preferably 0.8 to 1.6;
  • N to 0.1; in particular up to 0.01; preferably up to 0.001;
  • AI up to 0.5; in particular 0.005 to 0.2; preferably 0.01 to 0.15;
  • Mo to 0.3; in particular up to 0.15; preferably to 0.07
  • Nb to 0.2 in particular up to 0.1; preferably up to 0.035;
  • Ti up to 0.2; in particular up to 0.1; preferably to 0.05; preferably 0.001 to
  • V to 0.2; in particular up to 0.1; preferably up to 0.012;
  • B to 0.01; in particular 0.0005 to 0.008; preferably 0.001 to 0.005;
  • Steel workpieces with a chemical composition within the specified limits can be hardened and are particularly suitable for hot forming and / or hardening or press hardening. Furthermore, they are inexpensive, can be mass-produced and, with their potential, can cover a wide spectrum, especially in automobile construction.
  • the sheet steel components produced according to the invention have improved properties compared to the sheet steel components known from the prior art, in particular due to reduced edge decarburization or a non-decarburized area near the surface or a carburized area near the surface, they have an improved fatigue strength, so that their strength level with> 2,000,000 vibration cycles is greater than with conventionally manufactured sheet steel components or at the same strength level as with conventionally manufactured sheet steel components, an average number of vibration cycles that is at least 20% higher is withstood without component failure, as investigated have shown.
  • Such a sheet steel component produced according to the invention is outstandingly suitable as a chassis component or as a part thereof. Chassis parts are exposed to enormous cyclical loads during operation. Sheet steel components produced according to the invention can absorb this cyclical stress or vibrations better than conventional sheet steel components without premature component failure.
  • sheet steel components produced according to the invention are used as a wheel or as part of the wheel, in particular as a wheel disc, as a wishbone or as part of the wishbone, as a torsion arm or as part of the torsion arm.
  • Figure 1 a schematic flow chart of an embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a section of a cross section of a sheet steel component not press-hardened according to the invention
  • FIG. 3 a section of a cross section of a sheet steel component press-hardened according to one embodiment of the invention.
  • a hardenable, in particular uncoated steel workpiece is provided.
  • the steel workpiece is preferably a flat sheet steel workpiece with a thickness preferably up to 10 mm.
  • the steel workpiece is at least partially, preferably completely, heated to a temperature of at least Acl, preferably to a temperature above Ac3, in a furnace under a protective gas atmosphere.
  • the furnace can be designed, for example, as a roller hearth furnace or a chamber furnace, the protective gas or furnace atmosphere comprising a carbon-containing gas according to the invention and in the furnace a carbon level of at least -20% of the carbon content of the steel workpiece before at least partial heating up to 1.1% by weight (absolutely in the near-surface area of the sheet steel component and regardless of the chemical composition of the steel workpiece / sheet steel component) is set.
  • the carbon level results in i) reduced edge decarburization compared to the conventional production of sheet steel components, ii) no edge decarburization, or iii) surface carburization or in the area of the steel material near the surface during the heating or can be determined on the surface or in the area of the sheet steel component produced near the surface.
  • the at least partially warm steel workpiece is preferably hot-formed and press-hardened in a tool, with the at least partly warm steel workpiece not coming into contact with the ambient atmosphere between the furnace outlet and the tool, and the at least partly warm steel workpiece being hot-formed and press hardening under a protective gas atmosphere is fed.
  • the hot-formed and press-hardened sheet steel component is cooled to a temperature below Ms, preferably below Mf, in order to set a hard structure.
  • Ms preferably below Mf
  • different properties can be developed in the sheet steel component, so that partial press hardening can take place.
  • the sheet steel component can also be completely press-hardened and thus have a hard structure over the entire cross section.
  • the sheet steel component produced according to the invention has an improved fatigue strength compared to sheet steel components made conventionally.
  • the sheet steel component is fed to at least one blasting step in a fourth step (IV), with a blasting agent applied locally or globally to the surface of the sheet steel component acts and these are cold-hardened or compressed, whereby sheet steel components blasted in this way can be more resistant to cyclic loads and can have a higher resistance with regard to crack formation and crack propagation.
  • a tempering step in particular at a temperature between 150 and 300 ° C.
  • steps (V) and (IV) can also be swapped, so that the at least one starting step can take place before the at least one blasting step.
  • An investigation with different parameters has been carried out.
  • An uncoated steel workpiece of the quality 22MnB5 was provided with a material thickness of 3 mm.
  • Four steel workpieces S1 to S4 were cut to size. All four steel workpieces S1 to S4 were completely austenitized at 920 ° C. for a period of 9 minutes. After the austenitization, a transfer took place with the exclusion of the ambient atmosphere into a tool for hot forming and press hardening, which was actively cooled.
  • the transfer time was approx. 6 s. In general, a transfer time between 3 and 20 s should be aimed for.
  • the holding time in the closed tool was approx. 20 s with a press pressure of approx. 3 MPa, with the steel workpieces S1 to S4 being completely press hardened.
  • the following table shows a hardness profile measured in HV0.1 in accordance with DIN EN ISO 6507 along the thickness in ⁇ m at discrete positions of the correspondingly hot-formed and press-hardened sheet steel components S1 to S4.
  • the heating in a protective gas atmosphere according to the invention leads to a reduction or prevention of decarburization of the near-surface areas (S2 to S4) of the steel workpieces / sheet steel components compared to conventionally manufactured sheet steel components (S1).
  • the carbon content correlates with the hardness.
  • samples were taken from the sheet steel components S1 to S4 for macroscopic, light-optical and scanning electron-optical analysis.
  • the samples from S2 to S4 showed a martensitic structure in their areas close to the surface, but compared to the rest of the area with a finer-grained and more homogeneous structure.
  • 2 and 3 are shown from sections of cross-sections after etching with 3% NH03, FIG. 2 relating to the sample from S1 and FIG.
  • the structure can only be influenced in the area close to the surface of a sheet steel component to be produced, in particular by means of a specifically set protective gas atmosphere during heating, diffusion and / or mechanical action.
  • a specifically set protective gas atmosphere during heating, diffusion and / or mechanical action.
  • the influence is only up to a maximum depth of 400 gm, in particular up to a maximum of 300 gm, preferably up to a maximum of 200 gm, preferably up to a maximum of 100 gm measured from the surface of the steel workpiece or sheet steel component, so that an influence does not go deeper into the base material must be done in order to ensure improved vibration resistance.
  • a sheet steel component can be produced by hot forming and press hardening or by hot forming and subsequent hardening or by hot forming and subsequent press hardening or by hardening or press hardening, which is the same on the surface or in the area close to the surface, in particular by at least one 5%, preferably at least 10% higher hardness compared to the remaining area (center or thickness of the sheet steel component), in particular if a carbon level is set that is equal to or higher than the carbon content of the steel workpiece before the at least partial heating, which corresponds to the carbon content of the steel workpiece in the initial state or when it is ready.
  • the hardness on the surface or in the area close to the surface can be (further) increased, in particular a hardness that is at least 10%, preferably at least 15% higher than that of the remaining area (center or thickness of the sheet steel component).
  • a sheet steel component produced according to the invention achieves an improved strength level in vibration tests, which can absorb vibrations better than conventionally produced sheet steel components.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils. Weiterhin ist eine Verwendung des Stahlblechbauteils Gegenstand der Erfindung.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils. Weiterhin ist eine Verwendung des Stahlblechbauteils Gegenstand der Erfindung.
Die Herstellung von Stahlblechbauteilen mittels Warmumformen hat sich bereits industriell etabliert. Dabei werden Stahlblechbauteile im direkten wie auch im indirekten Warmumform- verfahren hergestellt. Dabei werden ebene Platinen (direkt) oder bereits vorgeformte bzw. endabmessungsnahe (kalt)geformte Halbzeuge (indirekt) aus einem Stahlwerkstück, insbe sondere aus einem härtbaren Stahlwerkstück auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher ab hängig von der Zusammensetzung des verwendeten Stahlwerkstücks eine Gefügeumwand lung innerhalb des Stahlwerkstücks eintritt. Mit Acl beginnt die Gefügeumwandlung in Auste nit und mit Erreichen von Ac3 bzw. oberhalb liegt ein im Wesentlichen vollständig austeniti- sches Gefüge vor. Die Erwärmung wird in Fachkreisen auch„Austenitisieren“ genannt, insbe sondere wenn eine vollständige Umwandlung in Austenit erfolgen soll. Nach der Erwärmung wird das warme (austenitisierte) Stahlwerkstück in ein Umformwerkzeug eingelegt und warm umgeformt. Dabei wird im Zuge oder nach Beendigung des Warmumformens das Stahlwerk stück derart gekühlt, insbesondere innerhalb des Umformwerkzeug, welches vorzugsweise aktiv gekühlt wird, so dass das Gefüge in ein hartes Gefüge aus Martensit und/oder Bainit, vorzugsweise in Martensit umwandelt. In Fachkreisen wird die Abkühlung respektive das Ab schrecken des Stahlwerkstücks innerhalb des Umformwerkzeugs bzw. durch Einwirken eines (Härte-)Werkzeugs, welches die Endkontur des herzustellenden Blechbauteils aufweist, auch „Presshärten“ genannt. Alternativ kann eine Abkühlung/Abschrecken auch außerhalb des Umformwerkzeugs/Härtewerkzeugs erfolgen, insbesondere in einem (kalten) Medium, bei spielsweise in einem Ölbad, und wird als„Härten“ bezeichnet. Erwärmungs- und Abkühlkur ven zur Einstellung der geforderten Gefügestruktur sind abhängig von der chemischen Zusam mensetzung des verwendeten, härtbaren Stahlwerkstücks und lassen sich aus sog. ZTA- bzw. ZTU-Schaubildern entnehmen bzw. ableiten.
Zum Herstellen von Stahlblechbauteilen können unbeschichtete Stahlwerkstücke wie auch beschichtete, mit einer vor Korrosion und/oder Zunderausbildung während der Erwärmung (Austenitisieren) schützenden Metallschicht versehene Stahlwerkstücke verwendet werden. Bei der Verwendung von unbeschichteten Stahlwerkstücken ist die Gefahr einer Verzunderung der Oberfläche des Stahlwerkstücks während der Erwärmung höher als bei beschichteten Stahlwerkstücken, so dass unbeschichtete Stahlwerkstücke in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einem Ofen, erwärmt werden, wobei die Schutzgasatmosphäre innerhalb des Ofens ein Inertgas ist, insbesondere eine Schutzgasatmosphäre auf Stickstoffbasis mit ei nem Stickstoffanteil von nahezu 100%, durch welche eine Oxidation (Verzunderung) an der Oberfläche des Stahlwerkstücks verhindert werden kann.
Trotz der Verwendung von Schutzgas, z.B. auf Stickstoffbasis, kann es durch Verunreinigung der Ofenatmosphäre durch Bestandteile der Umgebungsluft hervorgerufen durch Eingangs und Ausgangsöffnungen an den Öfen, insbesondere bei Rollenherdöfen, zu einer Effusion von Kohlenstoff während der Erwärmung im oberflächennahen Bereich eines zu erwärmenden Stahlwerkstücks kommen. In Fachkreisen ist dieses Phänomen als Randentkohlung bekannt, wobei der Abfall des Kohlenstoffgehaltes (Entkohlung) mit einem Abfall der Härte im oberflä chennahen Bereich des Stahlwerkstücks korreliert, insbesondere bei direkt oder indirekt warm umgeformten und/oder pressgehärten und/oder gehärteten, unbeschichteten Stahlblechbau teilen. Dies wirkt sich negativ auf die Schwingfestigkeit aus.
Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Herstellung eines Stahlblechbauteils in einer Art und Weise erlaubt, dass das resultierende Stahlblechbauteil eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Eigenschaft aufweist.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils mit den Merk malen des Anspruches 1 sowie mit einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.
Zum Herstellen eines Stahlblechbauteils umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte: - Bereitstellen eines härtbaren, insbesondere unbeschichteten Stahlwerkstücks, - zumindest teilweises Erwärmen des Stahlwerkstücks auf eine Temperatur von mindestens Acl, wobei das zumindest teilweise Erwärmen in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre erfolgt, - Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Warmumformen und anschließendes Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Warmumformen und anschließendes Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks zur Herstellung eines Stahl blechbauteils. Erfindungsgemäß umfasst die Schutzgasatmosphäre im Ofen ein kohlenstoffhaltiges Gas und weist einen Kohlenstoff-Pegel auf, welcher derart eingestellt wird, dass sich an der Oberfläche des Stahlblechbauteils nach dem - Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Warmumformen und anschließendes Presshärten des zu mindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Warmumformen und anschließendes Här ten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks - oder - Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerk stücks - ein Kohlenstoffgehalt zwischen -20% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen bis 1 ,1 Gew.-% (absolut im oberflächennahen Bereich des Stahlblechbauteils und unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahl werkstücks/Stahlblechbauteils) ergibt. Durch die Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Gases kann im Vergleich zum Stand der Technik eine Randentkohlung, welche sich negativ auf die Eigenschaften des herzustellenden Stahlblechbauteils auswirkt, reduziert werden, wobei der Entkohlungsgrad auf bis zu -20% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks (Kohlenstoffge halt im Ausgangszustand = Ist-Kohlenstoffgehalt), vorzugsweise auf bis zu -10% des Kohlen stoffgehalts des Stahlwerkstücks, bevorzugt auf bis zu -5% des Kohlenstoffgehalts des Stahl werkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen zugelassen wird. Des Weiteren bzw. alter nativ kann sichergestellt werden, dass zumindest keine Entkohlung (Ist-Kohlenstoffgehalt) oder sogar eine Aufkohlung (größer Ist-Kohlenstoffgehalt) im Ofen während der zumindest teilweisen Erwärmung des Stahlwerkstücks erfolgt. So kann die Schutzgasatmosphäre derart auf das Stahlwerkstück respektive auf seine chemische Zusammensetzung angepasst wer den, dass die Schutzgasatmosphäre insbesondere nicht entkohlend oder aufkohlend wirkt. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, innerhalb des Ofens durch ein kohlenstoffhaltiges Gas einen Kohlenstoff-Pegel im Ofen zur zumindest teilweisen, vorzugsweise vollständigen Erwärmung des Stahlwerkstücks auf eine Temperatur von mindestens Acl, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens Ac3 oder höher, vorzusehen, um einerseits eine Entkohlung zu reduzieren oder anderseits eine Entkohlung durch die kohlenstoffhaltige Atmosphäre zu verhindern bzw. durch Diffusion von Kohlenstoff aus der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre in das Stahlwerkstück eine Aufkohlung, insbesondere im oberflächennahen Bereich des Stahl werkstücks/Stahlblechbauteils zu bewirken.
Der Kohlenstoff-Pegel in der Schutzgasatmosphäre wird insbesondere durch Kohlenmonoxid bereitgestellt, wobei die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre in Vol.-% neben Koh lenmonoxid zwischen 15 und 35 %, insbesondere zwischen 20 und 35 %, zumindest aus Wasserstoff zwischen 15 und 55 % und Stickstoff als Rest inkl. Verunreinigung besteht. Weite- re Anteile, wie zum Beispiel Kohlendioxid und/oder Wasserdampf können jeweils bis zu 1 ,5 % und/oder Spuren von freiem Sauerstoff vorhanden sein. Eine Taupunkttemperatur in °C wird insbesondere zwischen -60 und +10, insbesondere zwischen -40 und 0 eingestellt.
Die Schutzgasatmosphäre innerhalb des Ofens verfügt über einen Kohlenstoff-Pegel, welcher sich in der Ofenatmosphäre aus dem verwendeten Gas ermitteln lässt, insbesondere durch Messen der Partialdrücke (Volumenanteile) der in der Ofenatmosphäre anwesenden Gaskom ponenten Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff in Verbindung mit der Ofentemperatur, so dass ein bestimmter Kohlenstoff-Pegel über die Gaszusammensetzung eingestellt werden kann. Als kohlenstoffhaltiges Gas werden beispielsweise Propan, Erdgas oder Methan, Ethin, Methanol, Aceton oder Isopropanol verwendet. Die im kohlenstoffhaltigen Gas enthaltenen Kohlenwasserstoffe zerfallen durch die thermische Einwirkung zu Kohlenstoff und Wasserstoff, bei Kohlenstoff-Sauerstoff-Wasserstoff-Verbindungen kommt hierzu noch Kohlenmonoxid. Das Einstellen des Kohlenstoff-Pegels in der Schutzgasatmosphäre erfolgt durch Erhöhen oder Reduzieren der Zugabe des kohlenstoffhaltigen Gases zu einem Trägergas, welches den Ofen mit konstanter Menge durchströmt. Insbesondere kann über den Kohlenmonoxid-Anteil die Regelung des Kohlenstoff-Pegels, welcher sich insbesondere im Falle des Aufkohlens als Kohlenstoffatom aus dem kohlenstoffhaltigen Gas abscheidet, vorgenommen werden. Der Kohlenstoff-Pegel im Ofen wird auf mindestens das 0,8-fache, insbesondere mindestens das 1-fache (=lst-Kohlenstoffgehalt) des Kohlenstoffgehalts des eingesetzten Stahlwerkstücks eingestellt. Das einzustellende Maximum des Kohlenstoff-Pegels liegt gemessen an dem Koh lenstoffgehalt an der Oberfläche des hergestellten Stahlblechbauteils bei maximal 1, 1 Gew.- %, insbesondere bei maximal 1 ,0 Gew.-%, vorzugsweise bei maximal 0,8 Gew.-%, bevorzugt bei maximal 0,6 Gew.-%, besonders bevorzugt bei maximal 0,5 Gew.-% (absolut im oberflä chennahen Bereich des Stahlblechbauteils und unabhängig von der chemischen Zusammen setzung des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils). Der Kohlenstoff-Pegel wird insbesondere in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt des verwendeten Stahlwerkstücks (Kohlenstoffgehalt im Ausgangszustand = Ist-Kohlenstoffgehalt) vor dem zumindest teilweisen Erwärmen einge stellt. Zur Einstellung eines Kohlenstoff-Pegels in einer Ofenatmosphäre wird insbesondere auf das Merkblatt 452„Einsatzhärten“, Ausgabe 2008, ISSN 0175-2006, herausgegeben von der Wirtschaftsvereinigung Stahl, verwiesen, beispielsweise auf den Seiten 5 bis 10.
Unter„nicht entkohlend“ ist zu verstehen, dass der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des Stahlwerkstücks bzw. Stahlblechbauteils im Vergleich zum Kohlenstoffgehalt des Stahlwerk stücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen im Wesentlichen beibehalten wird, wobei im Rahmen von Messtoleranzen Schwankungen von +/- 5% zulässig sind. „Aufkohlend“ hinge gen ist dahingehend zu verstehen, dass der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstücks bzw. des Stahlblechbauteils im Vergleich zum Kohlenstoffgehalt des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen erhöht wird.
Unter„härtbar“ ist zu verstehen, dass das Stahlwerkstück infolge einer gezielten Wärmebe handlung, wie sie bei der direkten und indirekten Warmumformen zur Herstellung eines Stahl blechbauteils durchgeführt wird, das Stahlblechbauteil zumindest teilweise (partiell/lokal) eine höhere Härte aufweist als das bereitgestellte Stahlwerkstück.
Der„oberflächennahe Bereich“ ist als Bereich ausgehend von der Oberfläche des Stahlwerk stücks bzw. Stahlblechbauteils bis zu einer Tiefe von maximal 400 pm, insbesondere bis ma ximal 300 pm, vorzugsweise bis maximal 200 pm, bevorzugt bis maximal 100 pm, besonders bevorzugt bis maximal 50 pm, zu verstehen.
Das Stahlwerkstück ist vorzugsweise ein ebenes oder ein vorgeformtes bzw. endabmessungs nah geformtes Stahlblechwerkstück mit einer Dicke bis zu 25 mm, insbesondere bis zu 20 mm, vorzugsweise bis zu 15 mm, bevorzugt bis zu 10 mm, besonders bevorzugt bis zu 6 mm. Das Stahlwerkstück weist eine Dicke von mindestens 0,5 mm, insbesondere mindestens 1 ,0 mm, vorzugsweise mindestens 2,0 mm, bevorzugt mindestens 3,0 mm auf. Das Stahl blechwerkstück ist insbesondere aus einem gewalzten Stahlflachprodukt entsprechend zu rechtgeschnitten. Abhängig von der Dicke ist das Stahlflachprodukt ein Grobblech, ein unbe schichtetes warmgewalztes Band (Warmband) oder ein unbeschichtetes kaltgewalztes Band (Kaltband).
Das Stahlwerkstück wird zumindest teilweise auf eine Temperatur von mindestens Acl er wärmt. Je nach Anforderung kann das Stahlwerkstück auch vollständig auf eine Temperatur von mindestens Acl erwärmt werden. Soll zumindest teilweise ein (voll)austenitisches Gefüge vorliegen, ist eine zumindest teilweise Erwärmung auf eine Temperatur von mindestens Ac3 oder höher erforderlich, um eine maximale Härte abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und der chemischen Zusammensetzung in Bezug auf das verwendete Stahlwerkstück einstel len zu können. Auch ein vollständiges Erwärmen des Stahlwerkstücks auf eine Temperatur von mindestens Ac3 oder höher ist möglich und bevorzugt. Das direkte Warmumformen berücksichtigt eine Verwendung eines ebenen Stahlwerkstücks, welches a) nach zumindest teilweiser Erwärmung in einem Werkzeug mittels Warmumformen und Presshärten zu einem Stahlblechteil mit zumindest teilweise hartem Gefüge warm umge formt und pressgehärtet wird, welches b) nach zumindest teilweiser Erwärmung in einem War- mumformwerkzeug mittels Warmumformen warm umgeformt und anschließend entweder bl) in einem Härtewerkzeug mit zumindest teilweise hartem Gefüge pressgehärtet wird oder b2) in einem Medium, an Luft oder in einem flüssigen Medium, mit zumindest teilweise hartem Gefü ge gehärtet wird.
Das indirekte Warmumformen berücksichtigt ein bereits insbesondere kalt vorgeformtes bzw. endabmessungsnah geformtes Stahlwerkstück, welches nach zumindest teilweiser Erwär mung entweder cl) in einem Härtewerkzeug mit zumindest teilweise hartem Gefüge pressge härtet wird oder c2) in einem Medium, an Luft oder in einem flüssigen Medium, mit zumindest teilweise hartem Gefüge gehärtet wird. Optional kann dem Härteprozess ein zusätzliches War mumformen vorgelagert sein.
Der Umformgrad im Härtewerkzeug, vgl. bl) und cl), ist minimal im Vergleich zur Erstellung der Vorform bzw. endabmessungsnahen Geometrie und kann im Wesentlichen einem Kali brierschritt zur Herstellung der Endgeometrie entsprechen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Be schreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkma le aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verweilt das Stahlwerkstück zwischen 1 und 300 min, insbesondere zwischen 2 und 100 min, vorzugsweise zwischen 3 und 30 min, bevorzugt zwischen 4 und 15 min im Ofen. Soll die Schutzgasatmosphäre auf kohlend wirken, haben neben der Verweildauer auch die Temperatur sowie die Zusammenset zung der Schutzgasatmosphäre Einfluss auf den Grad der Aufkohlung im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils. Die Temperatur beträgt mindestens Acl , die abhängig von der chemischen Zusammensetzung des verwendeten Stahlwerkstücks ist, ins besondere beträgt die Temperatur mindestens Ac3 oder ist höher eingestellt. Besonders be- vorzugt wird eine Temperatur zwischen 800 und 970°C, insbesondere zwischen 830 und 950°C eingestellt.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Ofen beispielsweise als Kammerofen, insbesondere als Mehrlagenkammerofen ausgebildet sein. Vorteilhaft bei Kammeröfen ist, dass sich die Schutzgas- bzw. Ofenatmosphäre besser halten und/oder ein stellen lässt, da insbesondere keine dauerhafte Öffnung, wie im Vergleich zu Rollenherdöfen, vorliegen. Alternativ kann der Ofen beispielsweise als Rollenherdofen ausgebildet sein, wo durch eine hohe Produktivität gewährleistet werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stahlblechbauteil mindestens einem Strahlschritt zugeführt. Durch den mindestens einen Strahlschritt kann die Härte an der Oberfläche zumindest partiell, insbesondere vollständig am Stahlblechbauteil durch mechanisches Einwirken gesteigert werden, da durch Eintrag von Druckspannungen in die Oberfläche, lokal oder vollständig am Stahlblechbauteil, eine Kaltverfestigung an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich bewirkt werden kann. Für den Fall, dass die Oberfläche des Stahlblechbauteils dennoch verzundert, kann durch den mindestens einen Strahlschritt die Oberfläche zeitgleich entzundert werden. Als Strahlgut sind alle granulären Strahlmittel geeignet, beispielsweise Stahlkugeln, Stahlschrott, Hochofenschlacke, Sand, Ko rund, Glas etc., welche die Oberfläche verfestigen respektive verdichten können. Durch den Anstieg der Härte an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich kann einer Riss bildung vorteilhaft entgegengewirkt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelangt das zumindest teil weise warme Stahlwerkstück nicht mit Umgebungsatmosphäre in Kontakt und das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück wird dem Warmumformen und Presshärten oder dem War- mumformen und anschließenden Härten oder Presshärten oder dem Härten oder dem Press härten unter Schutzgasatmosphäre zugeführt. Insbesondere bei der bevorzugten Verwendung von unbeschichteten Stahlwerkstücken ist von Vorteil, wenn kein Kontakt zwischen dem zu mindest teilweise warmen, insbesondere vollständig warmen Stahlwerkstück und der Umge bung vorliegt, so dass eine Verzunderung vor dem Einlegen in das Werkzeug zum Warmum formen und/oder Presshärten verhindert wird, welche die Standzeit des Werkzeugs negativ beeinflussen würde. Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Abkühlung des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks während des Härtens oder Presshärtens auf ei ne Temperatur unterhalb von Ms. Dadurch kann sichergestellt werden, dass abhängig von der chemischen Zusammensetzung des eingesetzten Stahlwerkstücks die entsprechende Marten sit-Start (Ms) Temperatur unterschritten wird, um die Ausbildung eines harten Gefüges, insbe sondere die Umwandlung von Teilaustenit (Temperatur Acl bis Ac3) oder von Vollaustenit (Temperatur oberhalb Ac3) in Martensit, zu erzwingen. Abgeschlossen ist die Umwandlung vollständig in Martensit bei Erreichen bzw. Unterschreiten der Martensit-Finish (Mf) Tempera tur.
Unter„hartem Gefüge“ ist ein Gefüge im Stahlblechbauteil zu verstehen, welches mindestens 70 Flächen-% Martensit, insbesondere mindestens 80 Flächen-% Martensit, vorzugsweise mindestens 90 Flächen-% Martensit aufweist, wobei verbleibende Gefügebestandteile in Form Ferrit, Perlit, Bainit, Zementit, Austenit und/oder Restaustenit vorhanden sein können. Das Gefüge kann besonders bevorzugt nur aus Martensit bestehen, so dass dadurch die maximal zu erzielende Härte im Stahlblechbauteil erreicht werden kann. Die angegebenen Gefügebe standteile werden durch Auswertung licht- oder elektronenmikroskopischer Untersuchungen bestimmt und sind daher als Flächenanteile in Flächen-% zu verstehen. Eine Ausnahme hier von bildet der Gefügebestandteil Austenit bzw. Restaustenit, welcher als Volumenanteil in Vol.-% angegeben wird.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück, insbesondere vollständig warme Stahlwerkstück, welches vorzugswei se auf eine Temperatur oberhalb von Ac3 erwärmt wird, partiell gehärtet oder partiell pressge härtet. Eine partielle Härtung bzw. partielle Presshärtung hat den Vorteil, dass unterschiedli che Eigenschaften, beispielsweise harte und weiche Zonen partiell und insbesondere gleich zeitig im Stahlblechbauteil je nach Anforderung und/oder Verwendungszweck eingestellt wer den können.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stahlblechbauteil angelassen, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 150 und 300°C und einer Verweil zeit zwischen 5 und 200 min. Durch einen Anlassschritt verliert das Stahlblechbauteil zwar geringfügig seine durch das vorangegangene Härten oder Presshärten eingestellte Härte, kann aber zu einem Anstieg der Streckgrenze des gehärteten Stahlblechbauteils und/oder zu einer Verminderung der Rissempfindlichkeit führen. Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Stahlwerkstück mit folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% bereitgestellt:
C = 0,08 bis 0,60; insbesondere 0,1 bis 0,5; vorzugsweise 0, 1 bis 0,3;
Si = 0,05 bis 0,80; insbesondere 0,1 bis 0,5; vorzugsweise 0, 1 bis 0,35;
Mn = 0,1 bis 2,2; insbesondere 0,3 bis 1,8; vorzugsweise 0,8 bis 1 ,6;
P bis 0,1 ; insbesondere bis 0,05; vorzugsweise bis 0,03;
S bis 0,1 ; insbesondere bis 0,05; vorzugsweise bis 0,01 ;
N bis 0,1 ; insbesondere bis 0,01 ; vorzugsweise bis 0,001 ;
sowie optional eines oder mehrerer der folgenden Elemente:
AI bis 0,5; insbesondere 0,005 bis 0,2; vorzugsweise 0,01 bis 0, 15;
Cr bis 1 ,0; insbesondere 0,01 bis 0,5; vorzugsweise 0,08 bis 0,35;
Cu bis 0,5; insbesondere bis 0,3; vorzugsweise bis 0,15;
Mo bis 0,3; insbesondere bis 0, 15; vorzugsweise bis 0,07
Ni bis 0,3; insbesondere bis 0,2; vorzugsweise bis 0,14;
Nb bis 0,2; insbesondere bis 0, 1 ; vorzugsweise bis 0,035;
Ti bis 0,2; insbesondere bis 0, 1 ; vorzugsweise bis 0,05;bevorzugt 0,001 bis
0,05;
V bis 0,2; insbesondere bis 0, 1 ; vorzugsweise bis 0,012;
B bis 0,01 ; insbesondere 0,0005 bis 0,008; vorzugsweise 0,001 bis 0,005;
Sn bis 0,1 ; insbesondere bis 0,07; vorzugsweise bis 0,05;
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Stahlwerkstücke mit einer chemischen Zusam mensetzung in den angegebenen Grenzen sind härtbar und eignen sich besonders für das Warmumformen und/oder Härten bzw. Presshärten. Des Weiteren sind sie kostengünstig, als Massenware herstellbar und können mit ihrem Potential insbesondere im Automobilbau ein breites Spektrum abdecken.
Die erfindungsgemäß hergestellten Stahlblechbauteile weisen im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Stahlblechbauteilen verbesserte Eigenschaften auf, insbesonde re durch eine reduzierte Randentkohlung bzw. durch einen nicht entkohlten oberflächennahen Bereich respektive einen aufgekohlten oberflächennahen Bereich weisen sie eine verbesserte Schwingfestigkeit auf, so dass ihr Festigkeitsniveau mit > 2.000.000 Schwingzyklen größer ist als bei herkömmlich gefertigten Stahlblechbauteilen bzw. bei einem gleichen Festigkeitsniveau wie bei herkömmlich gefertigten Stahlblechbauteilen eine insbesondere um mindestens 20 % höhere mittlere Anzahl an Schwingzyklen ohne Bauteilausfall überstanden wird, wie Untersu- chungen gezeigt haben. Ein derartig erfindungsgemäß hergestelltes Stahlblechbauteil eignet sich hervorragend als Fahrwerksbauteil oder als Teil hiervon. Fahrwerksteile sind im Betriebs fall enormen zyklischen Belastungen ausgesetzt. Erfindungsgemäß hergestellte Stahlblech bauteile können diese zyklisch Beanspruchung bzw. Schwingungen besser aufnehmen als herkömmliche Stahlblechbauteile, ohne dass es zu einem frühzeitigen Bauteilversagen kommt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden erfindungsgemäß hergestellte Stahlblech bauteile als Rad oder als Teil des Rades, insbesondere als Radschüssel, als Querlenker oder als Teil des Querlenkers, als Verbundlenker oder als Teil des Verbundlenkers verwendet.
Im Folgenden werden konkrete Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeich nung im Detail näher erläutert. Die Zeichnung und begleitende Beschreibung der resultieren den Merkmale sind nicht beschränkend auf die jeweiligen Ausgestaltungen zu lesen, dienen jedoch der Illustration beispielhafter Ausgestaltung. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögliche weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Ausgestal tungen, welche nicht dargestellt sind.
Die Zeichnung zeigt in
Figur 1) einen schematischen Ablaufplan einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, in
Figur 2) einen Ausschnitt eines Querschliffs eines nicht erfindungsgemäß pressgehärte ten Stahlblechbauteils und in
Figur 3) einen Ausschnitt eines Querschliffs eines gemäß einer Ausführung der Erfin dung pressgehärteten Stahlblechbauteils.
In einem ersten Schritt (I) wird ein härtbares, insbesondere unbeschichtetes Stahlwerkstück bereitgestellt. Das Stahlwerkstück ist vorzugsweise ein ebenes Stahlblechwerkstück mit einer Dicke bevorzugt bis zu 10 mm. Das Stahlwerkstück wird in einem zweiten Schritt (II) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig auf eine Temperatur von mindestens Acl, vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb von Ac3 in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre erwärmt. Der Ofen kann beispielsweise als Rollenherdofen oder Kammerofen ausgebildet sein, wobei erfindungsgemäß die Schutzgas- bzw. Ofen-Atmosphäre ein kohlenstoffhaltiges Gas umfasst und im Ofen einen Kohlenstoff-Pegel von mindestens -20% des Kohlenstoffgehalts des Stahl werkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen bis 1 ,1 Gew.-% (absolut im oberflächen nahen Bereich des Stahlblechbauteils und unabhängig von der chemischen Zusammenset zung des Stahlwerkstücks/Stahlblechbauteils) eingestellt wird. Verweilt das Stahlwerkstück bevorzugt zwischen 4 und 30 min im Ofen, bewirkt der Kohlenstoff-Pegel in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts des eingesetzten Stahlwerkstücks, i) eine reduzierte Randentkohlung im Vergleich zur konventionellen Herstellung von Stahlblechbauteilen, ii) keine Randentkohlung oder iii) eine Aufkohlung an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich des Stahlwerkstoffs während der Erwärmung bzw. ist feststellbar an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich des hergestellten Stahlblechbauteils. Im dritten Schritt (III) erfolgt vorzugsweise ein Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahl werkstücks in einem Werkzeug, wobei zwischen Ofenausgang und Werkzeug das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück nicht mit Umgebungsatmosphäre in Kontakt gelangt und das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück dem Warmumformen und Presshärten unter Schutzgasatmosphäre zugeführt wird. Die Abkühlung des warm umgeformten und pressge härteten Stahlblechbauteils erfolgt auf eine Temperatur unterhalb Ms, vorzugsweise unterhalb von Mf, um ein hartes Gefüge einzustellen. Je nach Anforderung und/oder Verwendung kön nen unterschiedliche Eigenschaften im Stahlblechbauteil ausgebildet werden, so dass eine partielle Presshärtung erfolgen kann. Alternativ kann das Stahlblechbauteil auch vollständig pressgehärtet sein und somit über den gesamten Querschnitt ein hartes Gefüge aufweisen. Das erfindungsgemäß hergestellte Stahlblechbauteil weist im Vergleich zu konventionell her gestellten Stahlblechbauteilen eine verbesserte Schwingfestigkeit auf. Zur weiteren Erhöhung der Härte an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich, insbesondere bei einer bevorzugten Verwendung des Stahlblechbauteils als Fahrwerksbauteil oder Teil hiervon, wird in einem vierten Schritt (IV) das Stahlblechbauteil mindestens einem Strahlschritt zugeführt, wobei lokal oder global ein Strahlmittel auf die Oberfläche des Stahlblechbauteils einwirkt und diese kalt verfestigt respektive verdichtet, wobei derart gestrahlte Stahlblechbauteile wider standsfähiger gegen zyklische Belastungen sein können und einen höheren Widerstand in Bezug auf Rissbildung und Rissausbreitung aufweisen können. Als fünfter Schritt (V) kann das Stahlblechbauteil einem Anlassschritt unterzogen werden, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 150 und 300°C und einer Verweilzeit zwischen 5 und 200 min. Alternativ können aber auch die Schritte (V) und (IV) getauscht werden, so dass der mindestens eine Anlass schritt vor dem mindestens einen Strahlschritt erfolgen kann. Eine Untersuchung mit unterschiedlichen Parametern ist durchgeführt worden. Ein unbe schichtetes Stahlwerkstück der Güte 22MnB5 wurde mit einer Materialdicke von 3 mm bereit gestellt. Vier Stahlwerkstücke S1 bis S4 wurden zurechtgeschnitten. Alle vier Stahlwerkstücke S1 bis S4 wurden bei 920°C für eine Dauer von 9 min vollständig austenitisiert. Nach der Aus- tenitisierung erfolgte ein Transfer unter Ausschluss der Umgebungsatmosphäre in ein Werk zeug zum Warmumformen und Presshärten, welches aktiv gekühlt wurde. Die Transferzeit betrug ca. 6 s. Im Allgemeinen ist eine Transferzeit zwischen 3 und 20 s anzustreben. Die Haltedauer im geschlossenen Werkzeug betrug ca. 20 s mit einem Pressendruck von ca. 3 MPa, wobei die Stahlwerkstücke S1 bis S4 vollständig pressgehärtet wurden.
51 (nicht erfindungsgemäß) wurde konventionell in einer stickstoffbasierten Schutzgasatmo sphäre mit Stickstoff und unvermeidbaren Verunreinigungen, Taupunkttemperatur < +5°C, erwärmt und nach dem Warmumformen und Presshärten erfolgte ein Anlassschritt bei 170°C und 20 min.
52 (erfindungsgemäß) wurde in einer kohlenstoffhaltigen Schutzgasatmosphäre mit einem Kohlenstoff-Pegel von 0,25 %, Rest Stickstoff und unvermeidbare Verunreinigungen, Tau punkttemperatur < +5°C, erwärmt, anschließend in einem Werkzeug warm umgeformt und pressgehärtet.
53 (erfindungsgemäß) wurde wie S2 erwärmt und nach dem Warmumformen und Presshär ten erfolgte ein Anlassschritt bei 170°C und 20 min.
54 (erfindungsgemäß), Vorgehensweise wie bei S3 mit einem zusätzlichen Strahlschritt mit Stahlkugeln vor dem Anlassschritt.
Die folgende Tabelle zeigt einen Härteverlauf gemessen in HV0,1 gemäß DIN EN ISO 6507 entlang der Dicke in pm an diskreten Positionen der entsprechend warm umgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteile S1 bis S4.
Figure imgf000014_0001
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Tabelle 1
Die Erwärmung in einer erfindungsgemäßen Schutzgasatmosphäre führt zu einer Reduzierung respektive Unterbindung der Entkohlung der oberflächennahen Bereiche (S2 bis S4) der Stahlwerkstücke/Stahlblechbauteile im Vergleich zu konventionell hergestellten Stahlblech bauteilen (Sl). Der Kohlenstoffgehalt korreliert mit der Härte. Des Weiteren wurden an den Stahlblechbauteilen Sl bis S4 Proben zur makroskopischen, lichtoptischen und rasterelektro nenoptischen Untersuchung entnommen. Die Proben der S2 bis S4 zeigten an ihren oberflä- chennahen Bereichen ein martensitisches Gefüge auf, jedoch im Vergleich zum restlichen Bereich mit einem feinkörnigeren und homogeneren Gefüge. In den Fig. 2 und 3 sind Aus schnitte aus Querschliffen nach Ätzen mit 3%-iger NH03 gezeigt, wobei Fig. 2 sich auf die Probe der Sl und Fig. 3 sich auf die Probe der S2 beziehen. Die Probe der Sl wies zwar eben falls ein martensitisches Gefüge an ihren oberflächennahen Bereichen auf, aber durch die Erwärmung in der nicht erfindungsgemäßen Schutzgasatmosphäre kam es zu einer Entkoh lung im oberflächennahen Bereich bzw. an der Oberfläche des Stahlblechbauteils, was zu einer reduzierten Härte, vgl. Fig. 2 der gräuliche Bereich im oberflächennahen Bereich, und damit verbunden zu einer schlechteren Schwingfestigkeit führte. Eine Randentkohlung im oberflächennahen Bereich der Probe der S2 hingegen konnte nicht festgestellt werden, vgl. Fig. 3.
Beim Warmumformen und/oder Härten bzw. Presshärten lässt sich das Gefüge nur im ober flächennahen Bereich eines herzustellenden Stahlblechbauteils beeinflussen, insbesondere durch eine gezielt eingestellte Schutzgasatmosphäre während der Erwärmung, Diffusion und/oder mechanisches Einwirken. Durch die Ausbildung eines feinkörnigen und homogenen Gefüges mit einer hohen Härte entsteht ein hoher Widerstand gegen Rissbildung und Rissaus breitung. Die Beeinflussung ist nur bis zu einer Tiefe von maximal 400 gm, insbesondere bis maximal 300 gm, vorzugsweise bis maximal 200 gm, bevorzugt bis maximal 100 gm gemes sen von der Oberfläche des Stahlwerkstücks respektive Stahlblechbauteils, so dass eine Be einflussung nicht tiefer in den Grundwerkstoff erfolgen muss, um eine verbesserte Schwing festigkeit zu gewährleisten.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schutzgasatmosphäre kann ein Stahlblechbau teil durch Warmumformen und Presshärten oder durch Warmumformen und anschließendem Härten oder durch Warmumformen und anschließendem Presshärten oder durch Härten oder durch Presshärten hergestellt werden, welches an der Oberfläche respektive im oberflächen nahen Bereich eine gleiche, insbesondere eine um mindestens 5 %, vorzugsweise einem um mindestens 10 % höhere Härte im Vergleich zu dem restlichen Bereich (Mitte bzw. Dicke des Stahlblechbauteils) aufweisen kann, insbesondere wenn ein Kohlenstoff-Pegel eingestellt wird, der gleich oder höher ist als der Kohlenstoffgehalt des Stahlwerkstücks vor dem zumin dest teilweisen Erwärmen, guasi dem Kohlenstoffgehalt des Stahlwerkstücks im Ausgangszu stand bzw. Bereitstellungszustand entspricht. Durch mechanisches Einwirken infolge mindes tens eines Strahlschrittes kann die Härte an der Oberfläche respektive im oberflächennahen Bereich (weiter) erhöht werden, insbesondere eine um mindestens 10 %, vorzugsweise eine um mindestens 15 % höhere Härte im Vergleich zu dem restlichen Bereich (Mitte bzw. Dicke des Stahlblechbauteils).
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Stahlblechbauteil erreicht ein verbessertes Festigkeitsni veau bei Schwingversuchen, welches Schwingungen besser aufnehmen kann als herkömm lich hergestellte Stahlblechbauteile.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Stahlblechbauteils, umfassend folgende Schritte:
- Bereitstellen eines härtbaren, insbesondere unbeschichteten Stahlwerkstücks,
- zumindest teilweises Erwärmen des Stahlwerkstücks auf eine Temperatur von min destens Acl, wobei das zumindest teilweise Erwärmen in einem Ofen unter Schutz gasatmosphäre erfolgt,
- Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerk stücks, oder Warmumformen und anschließendes Presshärten des zumindest teil weise warmen Stahlwerkstücks, oder Warmumformen und anschließendes Härten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks, oder Härten des zumindest teil weise warmen Stahlwerkstücks, oder Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks
zur Herstellung eines Stahlblechbauteils,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzgasatmosphäre im Ofen ein kohlenstoffhaltiges Gas umfasst und einen Koh lenstoff-Pegel aufweist, welcher derart eingestellt wird, dass sich an der Oberfläche des Stahlblechbauteils nach dem
- Warmumformen und Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks oder
- Warmumformen und anschließendes Härten oder Presshärten des zumindest teilwei se warmen Stahlwerkstücks oder
- Härten oder Presshärten des zumindest teilweise warmen Stahlwerkstücks ein Kohlenstoffgehalt von -20% des Kohlenstoffgehalts des Stahlwerkstücks vor dem zumindest teilweisen Erwärmen bis 1 ,1 Gew.-% ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Stahlwerkstück zwischen 1 und 300 min im Ofen verweilt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ofen als Kammerofen ausgebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ofen als Rollenherdofen ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stahlblechbauteil mindestens einem Strahlschritt zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück nicht mit Umgebungsatmosphäre in Kontakt gelangt und das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück wird dem Warmumformen und Presshärten oder dem Warmumformen und anschließendem Härten oder Presshärten oder dem Härten oder dem Presshärten unter Schutzgasatmosphäre zugeführt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Abkühlung des zu mindest teilweise warmen Stahlwerkstücks während des Härtens oder Presshärtens auf eine Temperatur unterhalb von Ms erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest teilweise warme Stahlwerkstück partiell gehärtet oder partiell pressgehärtet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stahlblechbauteil angelassen wird, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 150 und 300°C und ei ner Verweilzeit zwischen 5 und 200 min.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Stahlwerkstück be reitgestellt wird, mit folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-%:
C 0,08 bis 0,60;
Si 0,05 bis 0,80;
Mn 0, 1 bis 2,2;
P bis 0,1;
S bis 0,1;
N bis 0 1
sowie optional eines oder mehrerer der folgenden Elemente:
AI bis 0,5;
Cr bis 1,0;
Cu bis 0,5;
Mo bis 0,3;
Ni bis 0,3;
Nb bis 0,2;
Ti bis 0,2;
V bis 0,2;
B bis 0,01;
Sn bis 0,1
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
11. Verwendung eines Stahlblechbauteils, hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, als Fahrwerksbauteil oder als Teil hiervon.
12. Verwendung nach Anspruch 11 als Rad oder als Teil des Rades, insbesondere als Radschüssel, als Querlenker oder als Teil des Querlenkers, als Verbundlenker oder als Teil des Verbundlenkers.
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