WO2020169342A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils mittels innenhochdruckumformen - Google Patents

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Erik Hilfrich
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component by means of internal high pressure forming.
  • the invention also relates to a manufactured component and a use of the manufactured component.
  • hydroforming When manufacturing a component by hydroforming (hydroforming), pipes or semi-finished products with a closed cross-section made of metallic materials are formed in a closed tool by applying an internal pressure.
  • the pressure is generated hydraulically and water, oil or water-oil emulsions are generally used as the active medium.
  • the manufacture of a hydroforming component can only be carried out successfully if the change in shape and the maximum elongation (A t in%) of the material derived from it does not exceed the uniform elongation (A g in%) of the material. For this reason, materials with a high uniform expansion (A g in%) are preferably used for hydroforming.
  • the uniform expansion of a, for example, soft deep-drawing quality made of steel, in particular according to DIN EN 101 11, is greater than 20% and enables components with complex geometry to be manufactured using hydroforming.
  • materials with high strength are required.
  • dual-phase steels, in particular according to DIN EN 10346, with a high tensile strength (R m in MPa), for example of up to 1200 MPa are suitable for this.
  • R m in MPa tensile strength
  • these materials are only suitable for hydroforming to a limited extent, since they generally only have a low uniform elongation (A g in%), for example less than 7%.
  • the characteristic values R m , A t and A g , but also r values (anisotropy) can be determined from a tensile test, in particular in accordance with DIN EN ISO 6892, and read off the resulting stress-strain diagram.
  • hydroforming process with materials that have a high strength is, however, advantageous because it would enable the production of thin-walled components / profiles with complex geometries, which withstand high mechanical loads and when the components / profiles are used in a vehicle as crash-relevant Components could absorb a lot of energy in the event of an accident.
  • the austenite content in the semi-finished product can be converted into martensite induced by the deformation in order to achieve an increase in strength in the component that is not achieved with classic active-media-based deformation, such as hydroforming can be.
  • the object is therefore to provide a method which allows the production of a construction partially having a complex geometry with a high level of strength by simple means.
  • the object is achieved with a method for producing a component by means of hydroforming with the features of claim 1 and with a use with the features of claim 8.
  • the object is achieved by a method for manufacturing a component by means of hydroforming, comprising the following steps: - providing a steel workpiece with a closed cross section, - forming the steel workpiece in a hydroforming tool, the steel workpiece consists of a steel material that has a Microstructure of up to 10% ferrite, up to 10% bainite, up to 10% martensite, between 5 and 30% residual austenite and the rest of tempered martensite.
  • the combination of tempered martensite and retained austenite provides a material that can be ideally used for the production of components in the hydroforming process, since the tempered martensite has a high level of strength, which is important for the design of the component to be produced in terms of crash relevance and / or weight reduction and through the retained austenite deformation reserves, which are important for the hydroforming process, as well as optionally for load cases in the application, can be made available, so that components with complex geometries can be produced that also have high strength and in particular more Have deformation reserves.
  • the component consists of a steel material with a specifically adjusted microstructure, which combines high strength and both local expansion and global expansion.
  • the microstructure of the steel material in the ready state consists of up to 10% ferrit, up to 10% bainite, up to 10% (untempered) martensite, between 5 and 30% residual austenite and the rest of tempered martensite.
  • the specified residual austenite content is determined by means of X-ray diffraction in accordance with DIN EN 13925 in% by volume.
  • the other parts of ferrite, bainite and / or martensite are determined by means of light microscopy or a scanning electron microscope and stated in area%. The other proportions can be present up to the stated limits / specifications, but can also be 0.
  • the parts of ferrite and / or bainite are each less than 5%, preferably less than 5% in total. (Unannealed) martensite can also be less than 5%, including 0.
  • the component produced in particular by the method according to the invention consists of a steel material having a closed cross section, the component having a microstructure of up to 10% ferrite, up to 10% bainite, between 0.1% and 39.9% martensite, between 0.1% and 29.9% residual austenite and the remainder of tempered martensite.
  • the proportions of ferrite and / or bainite can each be less than 5%, preferably less than 5% in total.
  • the retained austenite is converted into (untreated) martensite during the deformation (hydroforming process), so that the proportion of retained austenite can vary locally, with the area or areas who is / are not subjected to any or only slight deformation, the proportion of retained austenite can correspond to the proportion made available in the initial or ready state of the steel workpiece before deformation.
  • the transformation of retained austenite into martensite is known in particular as the TRIP effect.
  • the component can have a maximum of 39.9% martensite, with the proportion of retained austenite in the finished component being at least 0.1%, in particular at least at least 0.3%, preferably with at least 0.7%, preferably with at least 1%, particularly preferably with at least 1.5%, is present to reserve deformation reserves, in particular also to reduce one or more crack propagation, which in the case of load (crash ) can arise, to be able to provide.
  • the proportion of retained austenite that remains in the finished component depends on the degree of deformation and is permitted to a maximum of 20%, in particular to a maximum of 15%, preferably to a maximum of 10, preferably to a maximum of 5%, particularly preferably to a maximum of 3% in order to be able to further increase the strength of the component.
  • the component has a microstructure with up to 5%, in particular up to 3%, preferably up to 2% ferrite and / or bainite, between 1% and 39%, in particular between 10% and 38%, preferably between 20% and 38% martensite, between 1% and 29%, in particular between 2% and 20%, preferably between 2% and 10% residual austenite and the remainder of tempered martensite.
  • the information relating to the proportions of retained austenite and (unannealed) martensite are to be understood globally for the finished component, since local fluctuations can be present depending on the degree of deformation.
  • all details of the proportions of the microstructure are to be understood globally as mean values over the entire geometry of the finished component.
  • Such a component produced according to the invention is outstandingly suitable as a chassis or body component or as part thereof. Chassis components are exposed to enormous cyclical loads during operation and can absorb these cyclical loads or vibrations very well without premature component failure.
  • components produced according to the invention are used as wishbones or as part of the wishbone, as a torsion link or as part of the torsion link.
  • components manufactured according to the invention are used as crash-loaded components, used in particular as a side member, cross member, crash box, A-pillar, B-pillar, roof frame, roof cross member, seat cross member, bumper cross member or parts thereof.
  • the retained austenite is in the form of a platelet-shaped morphology.
  • a platelet-shaped morphology is defined here as a ratio between the length in pm and width in pm of greater than 10, in particular greater than 20, preferably greater than 60.
  • Two important advantages of this are an improved chemical stabilization of the retained austenite, in particular due to the short diffusion length to homogenize the carbon content, for example during partitioning in the Q + P process, and an improved mechanical stabilization of the retained austenite, in particular due to a reduced probability of a TRIP -Conversion after the formation of a shear band in the material.
  • the steel material has a bending angle a of at least 90 °, in particular a of at least 105 °, which can be determined by plate bending test in accordance with test specification VDA 238-100, a hole expansion l of at least 30%, in particular l of at least 50% , determinable according to ISO 16630, a uniform elongation A g of at least 10%, in particular A g of at least 20%, and / or an anisotropy r between 0.5 and 1.2, in particular r between 0.6 and 1.0 a tensile strength R m of at least 980 MPa, in particular R m of at least 1050 MPa.
  • these properties have a particularly favorable effect on the manufacture of a component by means of hydroforming, in order to preferably provide a component with complex geometry with high strength and ductility.
  • the degree of deformation (complexity of deformation) using hydroforming and the retained austenite content in the steel workpiece provided are matched to one another in such a way that, after the hydroforming process, the component produced has a residual austenite content between 1 and 20 %, in particular between 1, 5 and 15%, preferably between 2 and 10%, so that the remaining austenite ins- in particular in the event of a crash, it provides a high energy absorption capacity and security against premature failure, in particular improved driving safety.
  • the steel material has the following chemical composition in% by weight:
  • Mn 0.5 to 3.50; in particular 0.9 to 3.0;
  • AI 0.01 to 2.50; in particular 0.02 to 1.80;
  • carbon contributes to the solidification in the material, especially when it increases, it contributes to an increase in strength, and on the other hand it is an important element for stabilizing retained austenite. Carbon and can diffuse relatively quickly, which is crucial for setting a specific microstructure.
  • Silicon is helpful for suppressing carbide formation and effectively utilizing the carbon for solidification in the material.
  • Manganese is important for the hardenability of the material and can help prevent pearlite.
  • Aluminum is helpful for deoxidation and can bind existing nitrogen. Furthermore, aluminum can contribute to the suppression of cementite.
  • Phosphorus, sulfur and / or nitrogen are unfavorable companions, which have a detrimental effect on the properties in the material and must be restricted according to the specifications, in particular special P to a maximum of 0.02% by weight, in particular N to a maximum of 0.02% by weight and / or in particular S to a maximum of 0.005% by weight.
  • one or more of the optional elements niobium, vanadium and titanium can be added.
  • the sum of Nb, V and Ti is limited to a maximum of 0.20% by weight.
  • Molybdenum and / or chromium can be added as optional elements to suppress pearlite.
  • Copper and / or nickel can be added as optional elements to improve the residual austenite stability.
  • Boron can be added as an optional element to increase hardness.
  • Calcium can be added as an optional element to bind sulfur.
  • SEM Rare earths
  • the steel material is provided as a flat product which is formed into a slot profile or two shell-shaped profiles by means of shaping means, the slot profile or the two shell-shaped profiles being connected to one another in such a way that they form a steel workpiece with a closed cross section form.
  • the production of a slotted profile from a flat product can be carried out economically, for example, on a strip-shaped flat product and correspondingly assembled rolls as an example of the shaping means, preferably by roll or roll profiling.
  • the slot profile can be continuously connected inline to form a workpiece / profile with a closed cross-section or separately outside the production line.
  • shell-shaped profiles can also be made from a flat product either by means of roll or roller profiling or by, for example, se drawing or folding tools are generated as an alternative example of shaping means, which in turn are connected separately to form a workpiece / profile with a closed cross section.
  • the steel workpiece can be a hollow profile with a lengthways constant or variable cross-section, individually adaptable, in particular in cross-section, depending on the application of the component to be produced.
  • FIG. 1 a schematic flow chart of an embodiment of the method according to the invention and in FIG. 2) a use of a component manufactured according to the method according to the invention.
  • a steel workpiece with a closed cross section is provided.
  • the steel workpiece is, for example, formed from a flat product by means of shaping means into a slot profile and connected to a steel workpiece with a closed cross-section and consists of a steel material which has a microstructure of up to 10% ferrite, up to 10% martensite, between 5 and 30% residual austenite and the remainder of tempered martensite.
  • the steel material preferably also has a bending angle a of at least 90 °, a hole expansion l of at least 30%, a uniform elongation A g of at least 10% and an anisotropy r between 0.5 and 1.2 with a tensile strength R m of at least 980MPa.
  • the steel workpiece is shaped in a hydroforming tool.
  • the general hydroforming process for the production of components and tools configured accordingly are known to those skilled in the art.
  • the degree of deformation using hydroforming and the residual austenite content in the steel workpiece provided are preferably matched to one another in such a way that the component produced has a residual austenite content between 1 and 20% after the hydroforming process.
  • Fig. 2) shows a use of a component produced according to the inventive method using the example of a front side member (2) on a vehicle (1).
  • the steel workpiece consists of a steel material with a microstructure of up to 10% ferrite has up to 10% martensite, between 5 and 30% residual austenite and the remainder of tempered martensite.
  • the steel material preferably also has a bending angle a of at least 90 °, a hole expansion l of at least 30%, a uniform elongation A g of at least 10% and an anisotropy r between 0.5 and 1.2 with a tensile strength R m of at least 980MPa.
  • the square profile is reshaped in such a way that any overlap with the wheel envelope (3) is eliminated without having to change the position of the side member (2).
  • This enables a load-appropriate design of the body on the vehicle (1) and optimal use of the installation space.
  • the cross-section change (4) required to avoid an overlap with the wheel envelope curve (3) is complex and a complex geometry with high strength can only be implemented by using the aforementioned steel workpiece / steel material, so that the remaining austenite content between 1 and 20% in the component (2) a high energy consumption can be ensured in the event of a frontal crash.
  • a component produced according to the invention by means of hydroforming can be shaped into a component with complex geometry due to the high uniform expansion of the steel material used and also has a high level of strength.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Innenhochdruckumformen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein hergestelltes Bauteil sowie eine Verwendung des hergestellten Bauteils.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Innenhochdruckumformen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Innenhochdruckum formen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein hergestelltes Bauteil sowie eine Verwendung des hergestellten Bauteils.
Bei der Herstellung eines Bauteils durch Innenhochdruckumformen (IHU) werden Rohre oder Halbzeuge mit einem geschlossenen Querschnitt aus metallischen Werkstoffen in einem ge schlossenen Werkzeug durch Aufbringen eines Innendruckes umgeformt. Der Druck wird hy draulisch erzeugt und als Wirkmedium werden in der Regel Wasser, Öl- oder Wasser-Öl-Emul- sionen verwendet. Die Herstellung eines IHU-Bauteils kann nur dann erfolgreich durchgeführt werden, wenn die Formänderung und die daraus abgeleitete maximale Dehnung (At in %) des Werkstoffes die Gleichmaßdehnung (Ag in %) des Werkstoffes nicht überschreitet. Aus die sem Grunde werden für das IHU vorzugsweise Werkstoffe mit einer hohen Gleichmaßdeh nung (Ag in %) verwendet. Die Gleichmaßdehnung einer beispielsweise weichen Tiefziehgüte aus Stahl, insbesondere nach DIN EN 101 11 , ist größer 20% und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mittels IHU mit komplexer Geometrie. Für Bauteile, die hohen mechanischen Beanspruchungen unterliegen, werden jedoch Werkstoffe mit einer hohen Festigkeit benötigt. Dafür eignen sich beispielsweise Dualphasenstähle, insbesondere nach DIN EN 10346, mit einer hohen Zugfestigkeit (Rm in MPa), beispielsweise von bis zu 1200 MPa. Diese Werkstof fe eignen sich jedoch nur bedingt für das IHU, da sie in der Regel nur eine geringe Gleichmaß dehnung (Ag in %) besitzen, beispielsweise kleiner 7%.
Die Kennwerte Rm, At und Ag, aber auch r-Werte (Anisotropie) lassen sich aus einem Zugver such, insbesondere gemäß DIN EN ISO 6892, ermitteln und dem daraus resultierenden Span- nungs-Dehnungs-Diagramm ablesen.
Die Anwendung des IHU Verfahrens mit Werkstoffen, die eine hohe Festigkeit besitzen, ist je doch vorteilhaft, weil hierdurch die Herstellung dünnwandiger Bauteile/Profile mit komplexen Geometrien ermöglicht würde, die hohen mechanischen Beanspruchungen standhalten und bei Verwendung der Bauteile/Profile in einem Fahrzeug als crashrelevante Bauteile im Falle eines Unfalls viel Energie absorbieren könnten.
Aus der DE 10 2013 104 299 A1 ist bekannt, ein Halbzeug aus Stahl mit einem Fe-Anteil von mindestens 60 Gew.-% und einem Austenitanteil von mindestens 5 Vol.-% zu verwenden, wel ches zu einem Fahrwerk- oder Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs über Wirkmedien in gasförmigem, flüssigem und/oder festem Zustand umgeformt wird, wobei das Halbzeug im Umformwerkzeug zumindest bereichsweise auf eine (Umform-)Temperatur von maximal - 20°C oder weniger gebracht wird und bei Erreichen der Umformtemperatur eine zumindest teilweise Umformung des Halbzeugs im Umformwerkzeug erfolgt. Durch die zwingend erfor derliche Abkühlung auf Temperaturen unterhalb von -20°C kann der Austenitanteil im Halb zeug durch die Umformung induziert in Martensit umwandeln, um eine Festigkeitssteigerung im Bauteil zu erzielen, welche bei der klassischen wirkmedienbasierten Umformung, wie zum Beispiel IHU, nicht erzielt werden kann.
Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Herstellung eines Bau teils aufweisend eine komplexe Geometrie mit einer hohen Festigkeit mit einfachen Mitteln er laubt.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Innenhoch druckumformen mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Innenhoch druckumformen, umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen eines Stahlwerkstücks mit einem geschlossenen Querschnitt, - Umformen des Stahlwerkstücks in einem Innenhochdruckum- form-Werkzeug, wobei das Stahlwerkstück aus einem Stahlwerkstoff besteht, welcher ein Mi krogefüge aus bis zu 10% Ferrit, aus bis zu 10% Bainit, aus bis zu 10% Martensit, zwischen 5 und 30% Restaustenit und dem Rest aus angelassenem Martensit aufweist.
Die Kombination aus angelassenem Martensit und Restaustenit stellt einen Werkstoff bereit, welcher ideal für die Herstellung von Bauteilen im IHU-Prozess eingesetzt werden kann, da durch den angelassenen Martensit eine hohe Festigkeit, welche für Auslegung des herzustel lenden Bauteils hinsichtlich Crashrelevanz und/oder Gewichtsreduzierung bedeutend ist, und durch den Restaustenit Verformungsreserven, welche für den IHU-Prozess bedeutend sind, als auch optional für Lastfälle im Anwendungsfall, zur Verfügung gestellt werden können, so dass Bauteile mit komplexer Geometrien erzeugt werden können, die auch noch eine hohe Festigkeit und insbesondere weitere Verformungsreserven besitzen. Das Bauteil besteht aus einem Stahlwerkstoff mit einem gezielt eingestellten Mikrogefüge, welches hohe Festigkeit und sowohl lokale Dehnung als auch globale Dehnung vereint. Während des IHU-Prozesses kann sich ein Teil des Restaustenits im Stahlwerkstoff, induziert durch plastische Verformung, in Martensit umwandeln, was eine hohe Dehnung bei gleichzeitig guten Verfestigungseigen- schäften bewirken kann. Die im Stand der Technik geforderte Notwendigkeit zur Abkühlung des umzuformenden Werkstücks auf mindestens -20C°, gestaltet den Herstellungsprozess nur aufwendiger und bewirkt, dass der Restaustenit vollständig in Martensit umwandelt, um ein Bauteil mit maximaler Festigkeit bereitstellen zu können. Dadurch kann ein vorzeitiges Versa gen nicht ausgeschlossen werden, da dieses Bauteil kein Restumformvermögen besitzt, ins besondere auch nicht für die Aufnahme von Energie im Falle eines Unfalls. Der IHU-Prozess im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt bei gleichen Bedingungen wie das konventionelle IHU, bevorzugt bei Raumtemperatur.
Das Mikrogefüge des Stahlwerkstoffes im Bereitstellungzustand besteht aus bis zu 10% Fer rit, aus bis zu 10% Bainit, aus bis zu 10% (unangelassenem) Martensit, zwischen 5 und 30% Restaustenit und dem Rest aus angelassenem Martensit. Der angegebene Restaustenit-An- teil wird mittels Röntgenbeugung gemäß DIN EN 13925 in Vol.-% bestimmt. Die anderen An teile Ferrit, Bainit und/oder Martensit werden mittels Lichtmikroskopie oder Rasterelektronen mikroskop bestimmt und in Flächen-% angegeben. Die anderen Anteile können bis zu den ge nannten Grenzen/Vorgaben vorhanden sein, aber auch 0 betragen. Insbesondere sind die An teile Ferrit und/oder Bainit jeweils kleiner 5%, vorzugsweise in Summe kleiner 5%. Auch (un- angelassener) Martensit kann kleiner 5%, einschließlich 0, sein.
Ein Beispiel zur Fertigung eines entsprechenden Stahlwerkstoffs ist in der Offenlegungsschrift EP 2 524 970 A1 der Anmelderin offenbart.
Das insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauteil besteht aus einem Stahlwerkstoff aufweisend einen geschlossenen Querschnitt, wobei das Bauteil ein Mi krogefüge aus bis zu 10% Ferrit, aus bis zu 10% Bainit, zwischen 0,1 % und 39,9% Martensit, zwischen 0,1 % und 29,9% Restaustenit und dem Rest aus angelassenem Martensit aufweist. Insbesondere können die Anteile Ferrit und/oder Bainit jeweils kleiner 5% sein, vorzugsweise in Summe kleiner 5%. Je nach Komplexität der herzustellenden Geometrie und abhängig vom Grad der Umformung wird der Restaustenit während der Umformung (IHU-Prozess) in (unan- gelassenen) Martensit umgewandelt, so dass lokal der Anteil des Restaustenits variieren kann, wobei im Bereich bzw. in Bereichen, der/die keiner oder nur einer geringen Umformung unter zogen wird/werden, der Anteil des Restaustenits dem bereitgestellten Anteil im Ausgangs- bzw. Bereitstellungszustand des Stahlwerkstücks vor der Umformung entsprechen kann. Die Umwandlung von Restaustenit in Martensit ist insbesondere als TRIP-Effekt bekannt. Da bis zu 10% (unangelassener) Martensit bereits im bereitgestellten Stahlwerkstück vorhan den sein kann, kann das Bauteil maximal bis zu 39,9% Martensit aufweisen, wobei im fertig gestellten Bauteil der Anteil an Restaustenit mit mindestens 0,1 %, insbesondere mit mindes tens 0,3%, vorzugsweise mit mindestens 0,7%, bevorzugt mit mindestens 1 %, besonders be vorzugt mit mindestens 1 ,5% vorhanden ist, um Verformungsreserven, insbesondere auch zur Reduzierung eines bzw. von Rissfortschritten, welche im Lastfall (Crash) entstehen können, bereitstellen zu können. Der Anteil an Restaustenit, welcher im fertiggestellten Bauteil ver bleibt, hängt vom Grad der Umformung ab und wird auf maximal 20%, insbesondere auf ma ximal 15%, vorzugsweise auf maximal 10, bevorzugt auf maximal 5%, besonders bevorzugt auf maximal 3% zugelassen, um die Festigkeit im Bauteil weiter erhöhen zu können.
Ist beispielsweise kein (unangelassener) Martensit im bereitgestellten Stahlwerkstück vorhan den (Martensit = 0%), ergibt sich der (unangelassene) Martensit im fertiggestellten Bauteil durch die Umwandlung von Restaustenit infolge der Umformung, so dass ein Anteil von bis zu 29,9% (unagelassenem) Martensit möglich ist.
Insbesondere weist das Bauteil ein Mikrogefüge mit bis zu 5%, insbesondere bis zu 3%, vor zugsweise bis zu 2% Ferrit und/oder Bainit, zwischen 1 % und 39%, insbesondere zwischen 10% und 38%, vorzugsweise zwischen 20% und 38% Martensit, zwischen 1 % und 29%, ins besondere zwischen 2% und 20%, vorzugsweise zwischen 2% und 10% Restaustenit und dem Rest aus angelassenem Martensit auf.
Insbesondere die Angaben bezogen auf die Anteile des Restaustenits und des (unangelasse- nen) Martensits sind global auf das fertiggestellte Bauteil zu verstehen, da lokale Schwankun gen abhängig vom Umformgrad vorhanden sein können. Vorzugsweise sind alle Angaben der Anteile der Mikrostruktur global über die gesamte Geometrie des fertiggestellten Bauteils als Mittelwerte zu verstehen.
Ein derartig erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil eignet sich hervorragend als Fahrwerk oder Karosseriebauteil oder als Teil hiervon. Fahrwerkbauteile sind im Betriebsfall enormen zyklischen Belastungen ausgesetzt und können diese zyklische Beanspruchung bzw. Schwin gungen sehr gut aufnehmen, ohne dass es zu einem frühzeitigen Bauteilversagen kommt. Ge mäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden erfindungsgemäß hergestellte Bauteile (Fahr werkbauteile) als Querlenker oder als Teil des Querlenkers, als Verbundlenker oder als Teil des Verbundlenkers verwendet. Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung werden erfindungsgemäß hergestellte Bauteile (Karosseriebauteile) als crashbeanspruchte Bauteile, insbesondere als Längsträger, Querträger, Crashbox, A-Säule, B-Säule, Dachrahmen, Dach querträger, Sitzquerträger, Stoßfängerquerträger oder Teile hiervon verwendet.
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 weite ren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merk male aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Restaustenit in Form einer plättchenförmigen Morphologie vor. Eine plättchenförmige Morphologie ist hier als ein Verhältnis zwischen der Länge in pm und Breite in pm von größer 10, insbesondere grö ßer 20, vorzugsweise größer 60 definiert. Zwei wichtige Vorteile solcher sind eine verbesser te chemische Stabilisierung des Restaustenits, insbesondere durch die kurze Diffusionslänge um eine Homogenisierung des Kohlenstoffgehalts beispielsweise während des Partitionings im Q+P-Prozess, und eine verbesserte mechanische Stabilisierung des Restaustenits, ins besondere durch eine verringerte Wahrscheinlichkeit einer TRIP-Umwandlung nach der Bil dung eines Scherbands im Werkstoff.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Stahlwerkstoff einen Biegewinkel a von mindestens 90°, insbesondere a von mindestens 105°, ermittelbar durch Plättchen-Biegeversuch gemäß Prüfvorschrift VDA 238-100, eine Lochaufweitung l von mindestens 30 %, insbesondere l von mindestens 50 %, bestimmbar nach ISO 16630, eine Gleichmaßdehnung Ag von mindestens 10%, insbesondere Ag von mindestens 20%, und/oder eine Anisotropie r zwischen 0,5 und 1 ,2, insbesondere r zwischen 0,6 und 1 ,0, bei einer Zug festigkeit Rm von mindestens 980MPa, insbesondere Rm von mindestens 1050 MPa. Diese Ei genschaften wirken sich, einzeln oder vorzugsweise zusammen betrachtet, insbesondere günstig auf die Herstellung eines Bauteils mittels IHU aus, um vorzugsweise ein Bauteil mit komplexer Geometrie mit hoher Festigkeit und Duktilität bereit zu stellen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Grad der Umfor mung (Komplexität der Umformung) mittels IHU und der Restaustenit-Anteil im bereitgestell ten Stahlwerkstück derart aufeinander abgestimmt, dass nach dem IHU-Prozess das herge stellte Bauteil einen Restaustenit-Anteil zwischen 1 und 20%, insbesondere zwischen 1 ,5 und 15%, vorzugsweise zwischen 2 und 10% aufweist, so dass der verbleibende Restaustenit ins- besondere bei einer Crashbeanspruchung eine hohes Energieabsorptionvermögen und Si cherheit gegen frühzeitiges Versagen insbesondere verbesserte Fahrsicherheit bereitstellt.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Stahlwerkstoff fol gende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf:
C 0,05 bis 0,50; insbesondere 0, 1 bis 0,450;
Si 0,01 bis 2,50; insbesondere 0, 1 bis 2,0;
Mn 0,5 bis 3,50; insbesondere 0,9 bis 3,0;
AI 0,01 bis 2,50; insbesondere 0,02 bis 1 ,80;
P bis 0, 10;
S bis 0, 10;
N bis 0, 10;
sowie optional eines oder mehrerer der folgenden Elemente:
Cr bis 2,0;
Cu bis 2,0;
Mo bis 2,0;
Ni bis 2,0;
Nb bis 0,20;
Ti bis 0,20;
V bis 0,20;
B bis 0,010;
Ca bis 0, 10;
SEM bis 0,010;
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Kohlenstoff trägt zum einen zur Verfestigung im Werkstoff bei, insbesondere mit Zunahme zur Festigkeitssteigerung beitragen, und ist zum anderen ein wichtiges Element zur Stabilisierung von Restaustenit. Kohlenstoff und kann relativ schnell diffundieren, was für die Einstellung ei nes gezielten Mikrogefüges entscheidend ist.
Silizium ist hilfreich für die Unterdrückung von Karbidbildung und effektive Ausnutzung des Kohlenstoffs für die Verfestigung im Werkstoff.
Mangan ist wichtig für die Härtbarkeit im Werkstoff und kann zur Vermeidung von Perlit beitra gen. Aluminium ist hilfreich für die Desoxidation und kann vorhandenen Stickstoff abbinden. Des Weiteren kann Aluminium zur Unterdrückung von Zementit beitragen.
Phosphor, Schwefel und/oder Stickstoff sind ungünstige Begleiter, welche nachteilig auf die Eigenschaften im Werkstoff wirken, und entsprechend der Vorgaben einzuschränken, insbe sondere P auf maximal 0,02 Gew.-%, insbesondere N auf maximal 0,02 Gew.-% und/oder ins besondere S auf maximal 0,005 Gew.-%.
Zur Optimierung der Festigkeit können eines oder mehrere der optionalen Elemente Niob, Va nadium und Titan zulegiert werden. Insbesondere ist die Summe aus Nb, V und Ti auf maxi mal 0,20 Gew.-% eingeschränkt.
Molybdän und/oder Chrom können als optionale Elemente zur Unterdrückung von Perlit zule giert werden.
Kupfer und/oder Nickel können als optionale Elemente zur Verbesserung der Restaustenitsta- biltät zulegiert werden.
Bor kann als optionales Element zur Härtesteigerung zulegiert werden.
Kalzium kann als optionales Element zur Abbindung von Schwefel zulegiert werden.
Seltene Erden (SEM) können als optionale(s) Element(e) zur Verfeinerung des Gefüges zule giert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stahlwerkstoff als Flachprodukt bereitgestellt, welches mittels formgebenden Mitteln zu einem Schlitzprofil oder zu zwei schalenförmigen Profilen geformt wird, wobei das Schlitzprofil oder die zwei schalen förmigen Profile derart miteinander verbunden werden, dass sie ein Stahlwerkstück mit ge schlossenem Querschnitt bilden. Die Herstellung eines Schlitzprofils aus einem Flachprodukt lässt sich beispielsweise an einem bandförmigen Flachprodukt und entsprechend konfektio nierten Rollen als ein Beispiel der formgebenden Mittel wirtschaftlich durchführen, vorzugs weise durch Roll- oder Walzprofilieren. Das Schlitzprofil kann im Fertigungsprozess kontinu ierlich inline zu einem Werkstück/Profil mit geschlossenem Querschnitt verbunden werden oder gesondert außerhalb der Fertigungslinie. Alternativ können auch schalenförmige Profile aus einem Flachprodukt entweder mittels Roll- oder Walzprofilieren oder durch beispielswei- se Zieh- oder Abkantwerkzeuge als alternatives Beispiel formgebender Mittel erzeugt werden, welche wiederum gesondert zu einem Werkstück/Profil mit geschlossenem Querschnitt ver bunden werden. Das Stahlwerkstück kann im einfachsten Fall ein Hohlprofil mit längskonstan tem oder auch variablem Querschnitt sein, je nach Anwendung des herzustellenden Bauteils individuell, insbesondere im Querschnitt anpassbar.
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 Merkma le untereinander wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung genutzt werden für mögli che weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Erfindung, speziell bei zusätzlichen Aus gestaltungen, welche nicht dargestellt sind.
Die Zeichnung zeigt in der Figur 1) einen schematischen Ablaufplan einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und in Figur 2) eine Verwendung eines Bauteils hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Fig. 1) zeigt einen schematischen Ablaufplan einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt (I) wird ein Stahlwerkstück mit einem geschlossenen Quer schnitt bereitgestellt. Das Stahlwerkstück ist beispielsweise aus einem Flachprodukt mittels formgebenden Mitteln zu einem Schlitzprofil geformt und zu einem Stahlwerkstück mit ge schlossenem Querschnitt verbunden worden und besteht aus einem Stahlwerkstoff, welcher ein Mikrogefüge aus bis zu 10% Ferrit, aus bis zu 10% Martensit, zwischen 5 und 30% Restaustenit und dem Rest aus angelassenem Martensit aufweist. Der Stahlwerkstoff weist vorzugsweise ferner einen Biegewinkel a von mindestens 90°, eine Lochaufweitung l von min destens 30 %, eine Gleichmaßdehnung Ag von mindestens 10% und eine Anisotropie r zwi schen 0,5 und 1 ,2 bei einer Zugfestigkeit Rm von mindestens 980MPa.
Im zweiten Schritt (II) erfolgt ein Umformen des Stahlwerkstücks in einem Innenhochdruckum- form-Werkzeug. Der allgemeine IHU-Prozess zur Herstellung von Bauteilen sowie entspre chend konfigurierte Werkzeuge sind der Fachwelt bekannt. Vorzugsweise werden der Grad der Umformung mittels IHU und der Restaustenit-Anteil im bereitgestellten Stahlwerkstück der art aufeinander abgestimmt, dass nach dem IHU-Prozess das hergestellte Bauteil einen Restaustenit-Anteil zwischen 1 und 20% aufweist. Fig. 2) zeigt eine Verwendung eines Bauteils hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren am Beispiel eines vorderen Längsträgers (2) an einem Fahrzeug (1). Als Stahlwerk stück mit geschlossenem Querschnitt in Form eines geschlossenen Vierkantprofils mit Kan tenlängen von 100mm/150 mm bereitgestellt. Aus einem Flachprodukt, beispielsweise aus ei- nem Spaltband, wurde mittels Rollprofieren und anschließendem Verbinden inkl. auf Maß ab längen als Stahlwerkstück ein geschlossenes Vierkantprofil bereitgestellt, wobei das Stahl werkstück aus einem Stahlwerkstoff besteht, welcher ein Mikrogefüge aus bis zu 10% Ferrit, aus bis zu 10% Martensit, zwischen 5 und 30% Restaustenit und dem Rest aus angelasse nem Martensit aufweist. Der Stahlwerkstoff weist vorzugsweise ferner einen Biegewinkel a von mindestens 90°, eine Lochaufweitung l von mindestens 30 %, eine Gleichmaßdehnung Ag von mindestens 10% und eine Anisotropie r zwischen 0,5 und 1 ,2 bei einer Zugfestigkeit Rm von mindestens 980MPa. Mittels IHU wird das Vierkantprofil so umgeformt, dass eine Überschnei dung mit der Radhüllkurve (3) beseitigt ist, ohne die Position des Längsträgers (2) ändern zu müssen. Dies ermöglicht eine lastgerechte Gestaltung der Karosserie am Fahrzeug (1) und eine optimale Ausnutzung des Bauraums. Die zur Vermeidung einer Überschneidung mit der Radhüllkurve (3) erforderliche Querschnittsänderung (4) ist komplex und nur durch die Ver wendung eines vorgenannten Stahlwerkstücks/Stahlwerkstoffs ist eine komplexe Geometrie bei hoher Festigkeit umsetzbar, so dass auch durch den verbleibenden Restaustenit-Anteil zwischen 1 und 20% im Bauteil (2) eine hohe Energieaufnahme im Falle eines Frontalcrashs sichergestellt werden kann.
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil mittels IHU lässt sich aufgrund der hohen Gleich maßdehnung des verwendeten Stahlwerkstoffs zu einem Bauteil mit komplexer Geometrie for men und besitzt zusätzlich ein hohes Festigkeitsniveau.

Claims

io Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Innenhochdruckumformen, umfassend folgende Schritte:
Bereitstellen eines Stahlwerkstücks mit einem geschlossenen Querschnitt, Umformen des Stahlwerkstücks in einem Innenhochdruckumform-Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass
das Stahlwerkstück aus einem Stahlwerkstoff besteht, welcher ein Mikrogefüge aus bis zu 10% Ferrit, aus bis zu 10% Martensit, zwischen 5 und 30% Restaustenit und dem Rest aus angelassenem Martensit aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Restaustenit in Form einer plättchenförmigen Morphologie vorliegt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahlwerkstoff einen Biegewinkel a von mindestens 90°, eine Lochaufweitung l von mindestens 30 %, eine Gleichmaßdehnung Ag von mindestens 10 % und/oder eine Anisotropie r zwischen 0,5 und 1 ,2 bei einer eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 950 MPa aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahlwerkstoff einen Biegewinkel a von mindestens 105°, eine Lochaufweitung l von mindestens 50 %, ei ne Gleichmaßdehnung Ag von mindestens 20 % und/oder eine Anisotropie r zwischen 0,6 und 1 ,0 bei einer Zugfestigkeit Rm von mindestens 1050 MPa aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grad der Umfor mung und der Restaustenit-Anteil im bereitgestellten Stahlwerkstück derart aufeinan der abgestimmt werden, dass nach dem IHU-Prozess das hergestellte Bauteil einen Restaustenit-Anteil zwischen 1 und 20% aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahlwerkstoff fol gende chemische Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
C 0,05 bis 0,50;
Si 0,01 bis 2,50;
Mn 0,5 bis 3,50;
AI 0,01 bis 2,50;
p bis 0,10;
S bis 0,10;
N bis 0,10;
sowie optional eines oder mehrerer der folgenden Elemente: Cr bis 2,0;
Cu bis 2,0;
Mo bis 2,0;
Ni bis 2,0;
Nb bis 0,20;
Ti bis 0,20;
V bis 0,20;
B bis 0,010;
Ca bis 0,010;
SEM bis 0,010;
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahlwerkstoff als Flachprodukt bereitgestellt wird, welches mittels formgebenden Mitteln zu einem Schlitzprofil oder zu zwei schalenförmigen Profilen geformt wird, wobei das Schlitzprofil oder die zwei schalenförmigen Profile derart miteinander verbunden werden, dass sie ein Stahlwerkstück mit geschlossenem Querschnitt bilden.
8. Bauteil aus einem Stahlwerkstoff aufweisend einen geschlossenen Querschnitt, insbe sondere hergestellt nach einem der vorhergehenden Verfahren,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil ein Mikrogefüge aus bis zu 10% Ferrit, aus bis zu 10% Bainit, zwischen 0,1 % und 39,9% Martensit, zwischen 0,1 % und 29,9% Restaustenit und dem Rest aus angelassenem Martensit aufweist.
9. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 8, insbesondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Fahrwerk- oder Karosseriebauteil oder als Teil hiervon.
10. Verwendung nach Anspruch 9 als crashbeanspruchtes Bauteil, insbesondere als Längsträger, Querträger, Crashbox, A-Säule, B-Säule, Dachrahmen, Dachquerträger, Sitzquerträger, Stoßfängerquerträger oder Teile hiervon.
11. Verwendung nach Anspruch 9 als Querlenker oder als Teil des Querlenkers, als Ver bundlenker oder als Teil des Verbundlenkers.
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