WO2020244974A1 - Verfahren zur herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten stahlblechbauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten stahlblechbauteils Download PDF

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Ansgar Hatscher
Uwe Diekmann
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hot-formed and
  • the sheet steel component is used according to the invention in vehicle construction.
  • Such a steel material can be used, for example, for a sheet steel component.
  • the strength of the steel material is a key factor.
  • Hot-formed steels, such as 22MnB5 have an almost 100% martensitic structure according to the
  • Vehicle body component is unfavorable in the event of an accident of the vehicle.
  • Steel thin sheet is inserted into a forming tool in one insertion step at an insertion temperature.
  • the thin steel sheet is placed in the forming tool hot-formed and press-hardened to form the sheet steel part.
  • Sheet steel part is removed from the opened forming tool in a removal step with a removal temperature.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a
  • a steel is aterial with a steel alloy which is designed for processing in a hot forming process for the production of a sheet steel part in
  • Vehicle construction which has at least the following components in percent by weight:
  • the steel alloy can, for example, have iron and impurities as further constituents, the structure essentially consisting of bainite, stabilized retained austenite and martensite.
  • the relatively high carbon content of 0.30 to 0.42% can improve the stabilization of retained austenite in the steel material.
  • the carbon content should not exceed 0.42%.
  • the silicon content of 0.8 to 2.2% can stabilize the intermediate structure and retained austenite in the steel material, whereby the ductility of the steel material can be improved.
  • the manganese content is also limited, so that the steel alloy contains a maximum of 2.5% manganese, preferably only up to 1.0%, in order to achieve a homogeneous structure and disadvantageous carbide formation in the steel material prevent.
  • niobium of up to 0.06%, grain refinement can be achieved, which can also contribute to improving ductility.
  • Martensitic transformation in the press hardening step is delayed and the bainite transformation is supported in the bainitizing step.
  • Boron is used to bind nitrogen, which also improves ductility.
  • Steel material are made available, which is characterized by high strength and at the same time very high ductility.
  • the steel material can be used or used, for example, as a sheet steel component.
  • the steel alloy can preferably have at least the following components in percent by weight:
  • iron and impurities for example, can be provided as further components, the structure essentially consisting of bainite, stabilized retained austenite and martensite.
  • the steel alloy preferably has contents of chromium, nickel and / or molybdenum, the sum total of chromium, nickel and / or molybdenum preferably being less than 0.5%, preferably less than 0.35%.
  • the steel alloy thus preferably has only a very small proportion of chromium, nickel and molybdenum, which means that the amount of more expensive
  • Alloy elements in the steel alloy can be reduced.
  • the steel material After the hot forming, the steel material preferably has a yield strength Re> 600 MPa.
  • the yield point characterizes the stress up to which in
  • the material shows almost no permanent plastic deformation. This means that the material will deform, but will return to its original shape after the load has been released. The deformation remains reversible or elastic.
  • the bending angle of the steel material after hot forming is preferably equal to or greater than 80 °.
  • the elongation at break A50 of the steel material is preferably equal to or greater than 16%. This can be achieved through this high bending angle and / or the high elongation at break
  • the steel material is characterized by high strength, the steel material preferably having a tensile strength Rm> 1100 MPa.
  • the tensile strength determines the maximum mechanical tensile stress that the steel material can withstand.
  • the steel material thus has a higher ductility and tensile strength than the commonly used cold forming grades, such as DP780 or DP980.
  • a quenching process step and a subsequent bainitizing step take place between the austenitizing step and the press hardening step.
  • the steel sheet is cooled in a quenching time to a bainitizing temperature which is lower than a bainite start temperature and higher than a bainite finish temperature.
  • the steel sheet is bainitized over a bainitization time on the
  • the first exemplary embodiment is thus characterized by a method for producing a steel material which has been developed and further developed as described above, in which in a first step (that is to say austenitizing step) a primary material is converted into a first step (that is to say austenitizing step)
  • Heat treatment process goes through, in a second step the primary material a
  • Quenching process step is subjected and in a third step (bainitization step) the pre-material goes through a second heat treatment process and in a fourth step (press hardening step) the material is press hardened and in a fifth treatment step the body component is subjected to a third heat treatment step (i.e. partitioning heat treatment step).
  • the sheet steel part can then be used in a further process step after the hot forming process described above
  • Forming process in particular cold forming process, are subjected.
  • more complex components, hollow profile parts can be manufactured and / or additional hardened areas can be set in the component through work hardening.
  • the starting material (that is to say the steel sheet) is preferably formed from a steel alloy, as has been described above.
  • the treatment according to the invention of the primary material and thus the steel alloy enables a steel material to be formed which has a structure essentially of bainite, stabilized retained austenite and martensite.
  • the successive process steps first heat treatment process
  • the heat treatment process (partitioning heat treatment step) together with the special steel alloy contribute to the fact that a corresponding structure can be formed, whereby the steel material can have a high strength with significantly increased ductility.
  • the primary material is preferably austenitized.
  • the primary material is preferably austenitized.
  • the quenching process can take place, for example, by form hardening or press hardening of the primary material.
  • the quenching process is preferably carried out at a cooling rate of more than 27 ° C./s, so that the starting material can be rapidly cooled before the second heat treatment process starts.
  • the second heat treatment process (bainitization step) preferably starts when the pre-material has a temperature lower than the bainite start temperature and higher than the bainite finish temperature.
  • the bainite start temperature is the temperature at which bainite begins to form in the structure.
  • the bainite finish temperature is the temperature at which the formation of bainite in the structure stops.
  • the bainite finish temperature is usually lower than the bainite start temperature.
  • the second heat treatment process preferably starts immediately after the quenching process. By starting the second heat treatment process at a temperature of the primary material which is lower than a bainite start temperature and higher than a bainite finish temperature, the formation of bainite in the structure can be achieved. An abrupt delay in the
  • a high proportion of bainite and stabilized retained austenite can be set in the structure of the primary material.
  • the holding phase during the second heat treatment step is designed in such a way that the structure of the thin steel sheet is essentially transformed into bainite and retained austenite.
  • the holding phase in the second heat treatment step can be in a range between 30 seconds and 30 minutes, preferably between 1 minute and 6 minutes.
  • a heat treatment can also be implemented with any suitable time-temperature profile.
  • any suitable time-temperature profile For example, an isothermal profile of a steel sheet temperature can be set.
  • a heat treatment can also be implemented with any suitable time-temperature profile.
  • an isothermal profile of a steel sheet temperature can be set.
  • a heat treatment can also be implemented with any suitable time-temperature profile.
  • a ramp-shaped or step-shaped falling or rising course of a steel sheet temperature can be set. However, it is relevant that upon completion of the
  • the temperature of the steel sheet is a sufficiently large temperature offset above the martensite start temperature Ms to im
  • the temperature offset is to be dimensioned so that even with a transfer-related
  • the insertion temperature at the start of the press hardening step is greater than the martensite start temperature Ms.
  • quench hardening can take place immediately afterwards during the press hardening step, in which the structure formed from bainite and possibly retained austenite is “frozen” in the steel sheet. If the conversion is incomplete, that means the chosen second is shorter In the heat treatment step, an increased proportion of martensite can also form during the press hardening process, which can increase the hardness of the steel material.
  • a third heat treatment step partitioning heat treatment step
  • the frozen structure consisting essentially of bainite, stabilized retained austenite and optionally martensite is partitioned, that is to say stabilized by uniform
  • This heat treatment step can take place in the temperature range> 100-225 ° C for 30 seconds to 60 minutes, preferably at> 150-200 ° C for 5-30 minutes.
  • Austenitizing step in particular without the interposition of a quenching process step or a bainitizing step, immediately followed by the press hardening step.
  • Press hardening step is implemented in two parts with a first press hardening sub-step and a second press hardening step.
  • the steel sheet is raised from the insertion temperature, which is above the austenitizing temperature, to a
  • Bainitization temperature cooled which is less than a bainite start temperature and greater than a bainite finish temperature.
  • a bainitization step in which the thin steel sheet is kept at the bainitization temperature for a bainitization time. This results in a structural transformation into bainite with stabilized retained austenite.
  • the second partial press hardening step in which the thin steel sheet is rapidly cooled down to less than or equal to the martensite finish temperature.
  • the steel sheet material can therefore first be heated above the austenitizing temperature AC3 and completely austenitized.
  • the sheet steel material is relatively rapidly hot-formed in a hot-forming tool into one
  • a heat treatment with a holding phase for example in a furnace in the temperature range between bainite start and bainite finish with an essentially complete conversion of the structure to bainite and stabilized retained austenite.
  • a fourth process step i.e. second press hardening sub-step
  • the sheet steel component is rapidly cooled in a hot forming tool, preferably the same as in the first press hardening sub-step, until the martensite finish temperature is reached, followed by cooling in air.
  • the bainite partitioning takes place analogously to the first exemplary embodiment. Due to the two very short press hardening operations, possibly in the same tool, in one
  • Multi-part strategy for each press stroke realize very advantageous cycle times of a few seconds.
  • Mold hardening steps used mechanical presses instead of costly servo-hydraulic presses. It has been shown that these process steps are very short
  • the quenching process step as intermediate cooling in the transfer phase to the second furnace can take place so quickly that neither the ferrite nor the pearlite area can be reached and / or that intermediate cooling occurs in a cooling phase of less than 30 seconds, in particular by means of air cooling or using cooling plates or using rolling rollers.
  • the cooling plates or rollers can be made of steel and can be tempered so that the desired steel sheet temperature can be set more precisely.
  • Thermomechanical rolling by means of rolling rollers can improve the structural properties with regard to ductility and fine-grainedness or any existing ones
  • the scale layer can be broken up so that it can be removed more easily using compressed air, for example.
  • compressed air for example.
  • existing surface coatings can be cooled more gently and the risk of sticking to the cooling plates can be reduced.
  • intermediate cooling takes place in the transfer phase to the second furnace in such a way that a profiled semi-finished product is produced in a first shaping step by thermomechanical rolling by means of rolling rollers or at least one thickness difference (tailored rolled blank) is rolled into the thin steel sheet.
  • hot trimming can be carried out in the second hot forming step (that is to say, second press hardness substep).
  • the second hot forming step can also be designed as a profile rolling and / or bending operation in order to be able to produce profiled components.
  • the two-stage quenching or hot-forming process sequence allows various manufacturing routes (design variants) to be combined with one another.
  • the invention relates to a use of a steel material according to the previously described, developed and further developed method for producing a
  • Vehicle body component or chassis component A vehicle body component formed from a steel material of this type has, on the one hand, a low weight, so that it has a high potential for lightweight construction. Furthermore, such a vehicle body component has a high level of strength and, at the same time, very high ductility, so that the behavior of the
  • Vehicle body component can be improved in the event of an accident of the vehicle.
  • FIG. 1 shows a system sketch by means of which the process sequence indicated in FIG. 2 for the production of a hot-formed and press-hardened sheet steel component is illustrated;
  • FIG. 2 in a block diagram of the process sequence for producing the
  • FIG. 3 shows a diagram that shows the time profile of the sheet steel component temperature when it is inserted into the forming tool and during the subsequent press hardening
  • Figures 4 and 5 are views corresponding to Figures 2 and 3 of a second
  • the surface of the primary material was then sandblasted in order to remove the layer of scale that had formed on the surface during the heat treatment.
  • this starting material was then cold-rolled to a thickness of approximately 3.5 mm.
  • a heat treatment process took place for 1.5 hours at 690 ° C. in an oven under vacuum. The cooling then took place under a nitrogen atmosphere.
  • the steel material was then cold-rolled to the dimensions required for the application example with a thickness of 1.5 mm.
  • FIG. 1 a system is roughly schematically sketched, based on which initially the
  • the basic process sequence for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component 7 is explained.
  • the system has, for example, a continuous furnace 1, a heat treatment furnace 2 implemented as a batch furnace, a forming tool 3 for hot forming and press hardening of sheet steel components 7, and a storage station 5 in which the sheet steel components 7 produced are stored.
  • a steel sheet 6 made of a hardenable steel is transferred into the continuous furnace 1 and there in a
  • Austenitizing step AU (FIG. 3) is heated to a process temperature T A (FIG. 3) above the tool-specific austenitizing temperature Ac3 of the steel used, which is 930 ° C., for example.
  • the thin steel sheet 6 heated in this way is transferred in a transfer phase to the heat treatment furnace 2 and there subjected to a bainitization step At ⁇ (FIG. 3) at a bainitization temperature T B (FIG. 3). Subsequently, the thin steel sheet 6 heat-treated in this way is transferred to the forming tool 3 and there, in a press hardening step D ⁇ H (FIG. 3), it is hot-formed into the steel sheet component 7 and at the same time quenched to a removal temperature T from (FIG. 3).
  • the shaping tool 3 also has a temperature control / cooling device 9, which is only indicated, in order to actively cool the shaping tool 3 during the press hardening step Atx or to keep it at a predefined tool temperature.
  • a quenching process step Ats (FIG. 3) is interposed between the austenitizing step D ⁇ A and the bainitizing step At ß , in which the thin steel sheet 6 is cooled to the bainitizing temperature T B (FIG. 3) in a quenching time. This is less than a bainite start temperature Bs and greater than a bainite finish temperature Bf.
  • the bainitization step At ß the steel sheet 6 is over the
  • the cooling rate is preferably greater than 27 ° C./s. This ensures that neither the ferrite nor the pearlite area reaches P, F during cooling becomes.
  • the quenching process step Ats is preferably implemented by the transfer phase between the continuous furnace 1 and the batch furnace 2.
  • the heat-treated steel sheet 6 is inserted in an insertion step, as well as with an insert temperature T ( Figure 3) in the forming tool 3, after which occurs in a tool holding phase, the press hardening step D ⁇ H.
  • the bainitization temperature T B is greater by a temperature offset DT than a martensite start temperature Ms.
  • the bainitization step At ß an isothermal heat treatment takes place, for example, at a constant bainitization temperature TB, which here can be in a range between 450 and 500 ° C.
  • a constant bainitization temperature TB which here can be in a range between 450 and 500 ° C.
  • the invention is not limited to such an isothermal temperature control. Rather, other suitable temperature-time profiles can also be used.
  • the bainitization step At ß results in a structural transformation in the thin steel sheet 6 essentially into a bainitic intermediate structure, namely without the formation of ferrite and / or pearlite structure.
  • retained austenite and optionally martensite can also be formed, preferably as a secondary phase, by terminating the bainitization prematurely.
  • the press hardening step Atn takes place immediately in FIGS. 2 and 3 with sudden cooling down to the removal temperature T out , in particular with a cooling rate that is greater than 27 ° C./s.
  • the removal temperature T from is just below the martensite finish temperature Mf.
  • An air cooling step AW takes place after the removal step . in the storage station 5, in which the sheet steel part 7 is cooled in air to room temperature.
  • a partitioning heat treatment step Atp is carried out in FIG. 3, in which sheet steel part 7 is tempered in order to reduce the component brittleness and increase the component ductility.
  • the partitioning heat treatment step Atp takes place as an integral component during the subsequent vehicle painting process.
  • FIG. 4 or 5 - in contrast to the first exemplary embodiment in FIGS. 1 to 3 - there is neither a atm between the austenitizing step A and the press hardening step
  • Quenching process step a bainitization step interposed. Rather, that will Steel sheet after austenitization 6 inserted directly in the forming tool 3, wherein the insert temperature T is greater than the austenitizing temperature Ac3.
  • the press hardening step is implemented in two parts, namely with a first press hardening substep Atm and a second press hardening substep A.
  • the steel sheet 6 inserted in the forming tool 3 is cooled from the insertion temperature T a to a bainitizing temperature T B , which is less than a bainite start temperature Bs and greater than a bainite finish temperature Bf.
  • the cooling rate is preferably greater than 27 ° C./s.
  • a bainitization step At ß in which the thin steel sheet 6 is held at the bainitization temperature T B for a bainitization time. In this way, the structure is transformed into bainite with stabilized retained austenite.
  • the bainitization step At ß can be exemplified in one of
  • Forming tool take place separate heating device.
  • the second press hardness substep A takes place, in which the thin steel sheet 6 is cooled down to a martensite finish temperature Mf.
  • the cooling rate is preferably greater than 27 ° C./s.
  • the sheet steel part 7 thus finished is removed at a removal temperature T from in a range below the martensite finish temperature Mf and transferred to the depositing station 5.
  • An air cooling step Ati_ K takes place in the depositing station 5, in which the sheet steel part 7 formed is cooled in air to room temperature.
  • a partitioning heat treatment step Atp is carried out, in which sheet steel part 7 is tempered in order to reduce the component brittleness and increase the component ductility.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stahlmaterial, mit einer Stahllegierung, welche mindestens folgende Bestandteile in Gewichtsprozent aufweist: 0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff 0,3 bis 2,5 % Mangan 0,8 bis 2,2 % Silizium bis 0,06 % Aluminium bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe bis 0,06 % Niob bis 0,1 % Vanadium bis 0,01 % Titan 0,001 bis 0,01 % Bor bis 0,01 % Stickstoff bis 0,01 % Schwefel bis 0,02 % Phosphor Rest Eisen und Verunreinigungen, wobei ein Gefüge aus im Wesentlichen Bainit, stabilisierter Restaustenit und Martensit besteht.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten
und pressgehärteten Stahlblechbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und
pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder des
Anspruches 2. Das Stahlblechbauteil wird erfindungsgemäß im Fahrzeugbau verwendet.
Ein derartiges Stahlmaterial kann beispielsweise für ein Stahlblechbauteil eingesetzt werden. Bei der Auswahl eines Stahlmaterials für Leichtbauanwendungen im Fahrzeugbau ist unter anderem die Festigkeit des Stahlmaterials ein wesentlicher Faktor. Warmumformstähle, wie zum Beispiel 22MnB5, haben ein nahezu 100 %iges martensitisches Gefüge nach dem
Warmumformprozess mit Zugfestigkeiten bis zu 1650 MPa. Die Duktilität, das heißt die
Eigenschaft des Materials sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor es versagt, wird oft mit der Bruchdehnung A50 beschrieben. Diese liegt bei einem Stahlmaterial aus einer Stahllegierung 22MnB5 in der Regel zwischen 5 und 7 %. Darüber hinaus wird der Biegewinkel in einem Plättchenbiegeversuch nach VDA 238-100 als weiterer Kennwert zur
Charakterisierung der Duktilität angegeben. Für eine Stahllegierung 22MnB5 sind Biegewinkel zwischen 50 und 65 % erreichbar. Es hat sich gezeigt, dass mit im Wesentlichen
martensitischen Gefügen relativ geringe Duktilitätsverbesserungen bis A50 = 10% erzielbar sind. Deshalb werden für Karosseriebauteile, die im Crash sehr viel Deformationsenergie absorbieren müssen, Kaltumformgüten bis etwa Rm=800MPa mit Bruchdehnungen A50 = 16% eingesetzt. Wird die Festigkeit dieses sog. AHSS-Stahlmaterials erhöht auf zum Beispiel 1200MPa, um dieses bei Leichtbauanwendungen besser einsetzen zu können, wird das Stahlmaterial ebenfalls empfindlicher bei Belastungen, da es spröder wird. Damit nimmt auch die Duktilität dieses Stahlmaterials ab. Bei dem Stahlmaterial besteht dann die Gefahr eines spröden Versagens, was insbesondere bei einer Verwendung des Stahlmaterials als
Fahrzeugkarosseriebauteil im Falle eines Unfalls des Fahrzeuges ungünstig ist.
In einem gattungsgemäßen Verfahren wird in einer zeitlichen Prozessabfolge in einem
Austenitisierungsschritt ein Stahlfeinblech für eine Austenitisierungszeit auf über die
werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 gehalten. Anschließend wird das
Stahlfeinblech in einem Einlegeschritt mit einer Einlegetemperatur in ein Umformwerkzeug eingelegt. In einem folgenden Presshärteschritt wird das Stahlfeinblech im Umformwerkzeug warmumgeformt und pressgehärtet, und zwar unter Bildung des Stahlblechteils. Das
Stahlblechteil wird in einem Entnahmeschritt mit einer Entnahmetemperatur aus dem geöffneten Umformwerkzeug entnommen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines
warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils für den Fahrzeugbau
bereitzustellen, das bei hoher Festigkeit eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Duktilität aufweist, so dass das Stahlblechbauteil in einem Fahrzeug-Crashfall ein gutes Verformungsverhalten aufweist.
Die Aufgabe ist mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Stahl aterial mit einer Stahllegierung, welches ausgebildet ist zur Verarbeitung in einem Warmumformprozess zur Herstellung eines Stahlblechteils im
Fahrzeugbau, vorgesehen, welche mindestens folgende Bestandteile in Gewichtsprozent aufweist:
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff
0,3 % bis 2,5 % Mangan
0,8 bis 2,2 % Silizium
bis 0,06 % Aluminium
bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe
bis 0,06 % Niob
bis 0,1 % Vanadium
bis 0,05 % Titan
0,001 bis 0,01 % Bor
bis 0,01 % Stickstoff
bis 0,01 % Schwefel
bis 0,02 % Phosphor,
Als weitere Bestandteile kann die Stahllegierung beispielsweise Eisen und Verunreinigungen aufweisen, wobei das Gefüge im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und Martensit besteht. Durch den relativ hohen Kohlenstoffgehalt von 0,30 bis 0,42 % kann eine Stabilisierung von Restaustenit des Stahlmaterials verbessert werden. Um zudem auch eine gute Schweißbarkeit des Stahlmaterials erreichen zu können, sollte der Kohlenstoffgehalt 0,42 % nicht übersteigen. Insbesondere durch den Siliziumanteil von 0,8 bis 2,2 % kann das Zwischenstufengefüge und Restaustenit in dem Stahlmaterial stabilisiert werden, wodurch die Duktilität des Stahlmaterials verbessert werden kann. Um die Duktilität des Stahlmaterials weiter zu verbessern, ist zudem der Mangangehalt begrenzt, sodass höchstens 2,5 % Mangan, bevorzugt nur bis 1 ,0 % in der Stahllegierung enthalten sind, um ein homogenes Gefüge zu erzielen und eine nachteilige Karbidbildung in dem Stahlmaterial zu verhindern. Durch den Zusatz von Niob von bis zu 0,06 % kann eine Kornfeinung erreicht werden, welche ebenfalls zur Verbesserung der Duktilität beitragen kann. Durch den Wegfall bzw. die starke Reduzierung von Titan wird die
martensitische Umwandlung im Presshärteschritt verzögert und die Bainitumwandlung im Bainitisierungsschritt unterstützt. Bor dient zur Abbindung von Stickstoff, was ebenfalls die Duktilität verbessert. Mit den erfindungsgemäßen Legierungsbestandteilen kann ein
Stahlmaterial zur Verfügung gestellt werden, welches sich durch eine hohe Festigkeit und gleichzeitig eine sehr hohe Duktilität auszeichnet. Das Stahlmaterial kann beispielsweise als Stahlblechbauteil eingesetzt bzw. verwendet werden.
Bevorzugt kann die Stahllegierung mindestens folgende Bestandteile in Gewichtsprozent aufweisen:
0,36 bis 0,42 % Kohlenstoff
0,3 bis 1 ,0 % Mangan
1 ,4 bis 2,0 % Silizium
0,01 bis 0,05 % Aluminium
0,30 bis 0,50 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe
0,005 bis 0,05 % Niob
bis 0,1 % Vanadium
bis 0,005 % Titan
0,0025 bis 0,005% Bor
0,0025 bis 0,01 % Stickstoff
bis 0,008 % Schwefel
bis 0,015 % Phosphor. Auch hier können als weitere Bestandteile beispielsweise Eisen und Verunreinigungen vorgesehen sein, wobei das Gefüge im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und Martensit besteht.
Die Stahllegierung weist vorzugsweise Gehalte an Chrom, Nickel und/oder Molybdän auf, wobei die Summe an Chrom, Nickel und/oder Molybdän vorzugsweise weniger als 0,5 %, bevorzugt weniger als 0,35 % aufweist. Die Stahllegierung weist damit vorzugsweise nur einen sehr geringen Anteil an Chrom, Nickel und Molybdän auf, wodurch die Menge an teureren
Legierungselementen in der Stahllegierung verringert werden kann.
Das Stahlmaterial weist nach der Warmumformung bevorzugt eine Streckgrenze Re > 600 MPa auf. Die Streckgrenze kennzeichnet bei einem Material die Spannung, bis zu der bei
momentenfreier und einachsicher Zugbelastung das Material nahezu keine bleibende plastische Verformungen aufweist. Das bedeutet, dass sich das Material zwar verformt, doch nach dem Zurücknehmen der Belastung wieder in die ursprüngliche Form zurückkehrt. Die Verformung bleibt reversibel bzw. elastisch.
Der Biegewinkel des Stahlmaterials ist nach der Warmumformung vorzugsweise gleich oder größer als 80°. Die Bruchdehnung A50 des Stahlmaterials ist vorzugsweise gleich oder größer als 16 %. Durch diesen hohen Biegewinkel und/oder die hohe Bruchdehnung kann das
Stahlmaterial eine besonders hohe Duktilität aufweisen.
Weiter zeichnet sich das Stahlmaterial nach der Warmumformung durch eine hohe Festigkeit aus, wobei das Stahlmaterial vorzugsweise eine Zugfestigkeit Rm > 1100 MPa aufweist. Die Zugfestigkeit bestimmt die maximale mechanische Zugspannung die das Stahlmaterial aushält. Das Stahlmaterial weist damit eine höhere Duktilität und Zugfestigkeit auf als die üblicherweise verwendeten Kaltumformgüten, wie beispielsweise DP780 oder DP980 auf.
In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß dem Anspruch 1 erfolgt zeitlich zwischen dem Austenitisierungsschritt und dem Presshärteschritt ein Abschreckprozessschritt und ein nachgeschalteter Bainitisierungsschritt. Im Abschreckprozessschritt wird das Stahlfeinblech in einer Abschreckzeit auf eine Bainitisierungstemperatur abgekühlt, die kleiner als eine Bainit- Start-Temperatur und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur ist. Im nachgeschalteten
Bainitisierungsschritt wird das Stahlfeinblech über eine Bainitisierungszeit auf der
Bainitisierungstemperatur gehalten, so dass eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit stattfindet. Das erste Ausführungsbeispiel zeichnet sich also durch ein Verfahren zur Herstellung eines, wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildeten Stahlmaterials aus, bei welchem in einem ersten Schritt (das heißt Austenitisierungsschritt) ein Vormaterial einen ersten
Wärmebehandlungsprozess durchläuft, in einem zweiten Schritt das Vormaterial einem
Abschreckprozessschritt unterzogen wird und in einem dritten Schritt (Bainitisierungsschritt) das Vormaterial einen zweiten Wärmebehandlungsprozess durchläuft und in einem vierten Schritt (Presshärteschritt) das Material pressgehärtet wird sowie in einem fünften Behandlungsschritt das Karosseriebauteil einem dritten Wärmebehandlungsschritt (das heißt Partitioning- Wärmebehandlungsschritt) unterzogen wird.
Aufgrund der sehr hohen Verformbarkeit kann das Stahlblechteil nach dem oben beschriebenen Warmumformprozess anschließend in einem weiteren Prozessschritt einem
Formgegebungsprozess, insbesondere Kaltumformprozess, unterzogen werden. Dadurch lassen sich komplexere Bauteile, Hohlprofilteile fertigen und/oder zusätzlich verfestigte Bereiche durch Kaltverfestigung im Bauteil einstellen.
Das Vormaterial (das heißt das Stahlfeinblech) ist vorzugsweise aus einer Stahllegierung, wie sie zuvor beschrieben worden ist, ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Behandlung des Vormaterials und damit der Stahllegierung kann ein Stahlmaterial ausgebildet werden, welches ein Gefüge im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und Martensit aufweist. Die aufeinander folgenden Prozessschritte erster Wärmebehandlungsprozess
(Austenitisierungsschritt), Abschreckprozessschritt, zweiter Wärmebehandlungsprozess (Bainitisierungsschritt), zweiter Abschreckprozess (Presshärteschritt) und dritter
Wärmebehandlungsprozess (Partitioning-Wärmebehandlungsschritt) tragen zusammen mit der speziellen Stahllegierung dazu bei, dass ein entsprechendes Gefüge ausgebildet werden kann, wodurch das Stahlmaterial eine hohe Festigkeit bei deutlich gesteigerter Duktilität aufweisen kann. Bei dem ersten Wärmebehandlungsprozess erfolgt vorzugsweise eine Austenitisierung des Vormaterials. Bei dem ersten Wärmebehandlungsprozess wird das Vormaterial
vorzugsweise über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3, beispielsweise auf etwa 900 °C erwärmt. Der Abschreckprozess kann beispielsweise durch Formhärten oder Presshärten des Vormaterials erfolgen.
Der Abschreckprozess wird vorzugsweise bei einer Abkühlrate von mehr als 27 °C/s durchgeführt, so dass ein schnelles Abkühlen des Vormaterials erfolgen kann, bevor der zweite Wärmebehandlungsprozess startet. Der zweite Wärmebehandlungsprozess (Bainitisierungsschritt) startet vorzugsweise, wenn das Vormaterial eine Temperatur kleiner Bainit-Start-Temperatur und größer Bainit-Finish- Temperatur aufweist. Die Bainit-Start-Temperatur ist die Temperatur, bei welcher ein Ausbilden von Bainit in dem Gefüge beginnt. Die Bainit-Finish-Temperatur ist die Temperatur, bei welcher die Ausbildung von Bainit in dem Gefüge stoppt. Die Bainit-Finish-Temperatur ist üblicherweise niedriger als die Bainit-Start-Temperatur. Der zweite Wärmebehandlungsprozess startet vorzugsweise unmittelbar nach dem Abschreckprozess. Durch das Starten des zweiten Wärmebehandlungsprozesses bei einer Temperatur des Vormaterials, welche kleiner einer Bainit-Start-Temperatur und größer einer Bainit-Finish-Temperatur ist, kann die Bildung von Bainit in dem Gefüge erreicht werden. Durch ein abruptes Verzögern des
Umwandlungsprozesses von Austenit in Bainit durch Starten des Wärmebehandlungsprozesses unterhalb der Bainit-Start-Temperatur und oberhalb der Bainit-Finish-Temperatur kann ein hoher Anteil an Bainit und stabilisiertem Restaustenit im Gefüge des Vormaterials eingestellt werden. Die Haltephase während des zweiten Wärmebehandlungsschrittes ist dabei so ausgelegt, dass im Stahlfeinblech eine Gefügeumwandlung im Wesentlichen zu Bainit und Restaustenit erfolgt. Die Haltephase im zweiten Wärmebehandlungsschritt kann hierfür in einem Bereich zwischen 30 Sekunden und 30 Minuten liegen, bevorzugt zwischen 1 Minute und 6 Minuten.
In einer weiteren Ausbildung kann eine Wärmebehandlung auch mit einem beliebigen, geeigneten Zeit-Temperatur-Profil realisiert werden. Beispielhaft kann ein isothermer Verlauf einer Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden. Alternativ dazu kann auch ein
rampenförmig oder stufenförmig fallender oder steigender Verlauf einer Stahlfeinblech- Temperatur eingestellt werden. Von Relevanz ist es jedoch, dass mit Abschluss des
Wärmebehandlungsschrittes die Temperatur des Stahlfeinbleches um einen ausreichend großen Temperaturversatz oberhalb der Martensit-Start-Temperatur Ms liegt, um im
nachfolgenden Presshärteschritt noch eine einwandfreie Warmumformung zu gewährleisten.
Der Temperaturversatz ist so zu bemessen, dass auch bei einem transferbedingten
Temperaturverlust die Einlegetemperatur beim Start des Presshärteschritts größer als die Martensit-Start-Temperatur Ms ist.
Nach Abschluss des zweiten Wärmebehandlungsschrittes kann unmittelbar anschließend unverzüglich eine Abschreckhärtung während des Presshärteschrittes erfolgen, in der das gebildete Gefüge aus Bainit und gegebenenfalls Restaustenit im Stahlfeinblech„eingefroren“ wird. Bei unvollständiger Umwandlung das heißt kürzer gewähltem zweitem Wärmebehandlungsschritt kann sich während des Presshärtevorganges zudem ein erhöhter Anteil an Martensit bilden, was die Härte des Stahlmaterials steigern kann.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Presshärteschritt unmittelbar bei Erreichen der Mf-Temperatur zu stoppen und die weitere Bauteilabkühlung an Luft bzw. mit einer sehr viel geringen Abkühlrate fortzusetzen, damit sich das Stahlfeinblechbauteil entspannen kann. Die Presshärtezeit kann dadurch sehr gering gehalten werden, was die Taktzeit vorteilhaft erhöht.
In einem dritten Wärmebehandlungsschritt (Partitioning-Wärmebehandlungsschritt) wird das eingefrorene im Wesentlichen aus Bainit, stabilisiertem Restaustenit und gegebenenfalls Martensit bestehende Gefüge Partitioniert, das heißt stabilisiert durch gleichmäßige
Umverteilung des Kohlenstoffes. Hierdurch stellt sich die sehr hohe Duktilität des
Stahlblechmateriales ein. Dieser Wärmebehandlungsschritt kann im Temperaturbereich >100- 225°C für 30 Sekunden bis 60 Minuten, bevorzugt bei >150-200°C für 5-30 Minuten erfolgen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß dem Anspruch 2 erfolgt nach dem
Austenitisierungsschritt, insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Abschreckprozessschritts oder eines Bainitisierungsschritts, unmittelbar anschließend der Presshärteschritt. Der
Presshärteschritt ist zweiteilig realisiert mit einem ersten Presshärte-Teilschritt und einem zweiten Presshärte-Schritt. Im ersten Presshärte-Schritt wird das Stahlfeinblech von der Einlegetemperatur, die oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegt, bis auf eine
Bainitisierungstemperatur abgekühlt, die kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur ist. Zeitlich unmittelbar nach dem ersten Presshärte-Teilschritt erfolgt ein Bainitisierungsschritt, bei dem das Stahlfeinblech über eine Bainitisierungszeit auf der Bainitisierungstemperatur gehalten wird. Dadurch findet eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit statt. Anschließend erfolgt der zweite Presshärte-Teilschritt, bei dem das Stahlfeinblech in rascher Abkühlung bis auf kleiner oder gleich der Martensit-Finish- Temperatur abgekühlt wird.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel kann daher das Stahlblechmaterial zunächst über die Austenitisierungstemperatur AC3 erwärmt und vollständig austenitisiert werden. In einem nachgelagerten Prozessschritt (das heißt erster Presshärte-Teilschritt) erfolgt eine relativ rasche Warmumformung des Stahlblechmaterials in einem Warmumformwerkzeug zu einem
Stahlblechbauteil, derart dass die Bauteiltemperatur unterhalb der Bainit-Start-Temperatur und oberhalb der Bainit-Finish-Temperatur eingestellt ist. In einem dritten Prozessschritt
(Bainitisierungsschritt) erfolgt eine Wärmebehandlung mit einer Haltephase beispielsweise in einem Ofen in dem Temperaturbereich zwischen Bainit-Start und Bainit-Finish mit einer im Wesentlichen vollständigen Umwandlung des Gefüges zu Bainit und stabilisiertem Restaustenit. In einem vierten Prozessschritt (das heißt zweiter Presshärte-Teilschritt) erfolgt die rasche Abkühlung des Stahlblechbauteils in einem Warmumformwerkzeug, vorzugsweise das gleiche wie im ersten Presshärte-Teilschritt, bis Erreichen der Martensit-Finish-Temperatur und eine anschließende Abkühlung an Luft. In einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt erfolgt das Bainit-Partitioning analog zum ersten Ausführungsbeispiel. Durch die beiden sehr kurzen Presshärteoperationen gegebenenfalls im gleichen Werkzeug lassen sich in einer
Mehrteilestrategie pro Pressenhub sehr vorteilhafte Taktzeiten von wenigen Sekunden realisieren.
In einer weiteren Ausführungsvariante werden für die Abschreckprozesse bzw.
Formhärtungsschritte mechanische Pressen anstelle kostenintensiver servohydraulischer Pressen verwendet. Es hat sich gezeigt, dass diese Prozessschritte nur sehr kurze
Prozesszeiten erfordern, weil die maßgeblichen Prozesse zur Einstellung des Gefüges erfindungsgemäß in den Wärmebehandlungsschritten erfolgen und ein Bauteilverzug während des Abschreckprozesses somit weitgehend vermieden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Abschreckprozessschritt als Zwischenkühlung in der Transferphase zum zweiten Ofen derart rasch erfolgen, dass weder das Ferrit- noch das Perlitgebiet erreicht werden, und/oder dass eine Zwischenkühlung in einer Kühlphase von weniger als 30 Sekunden erfolgt, insbesondere mittels Luftkühlung oder mittels Kühlplatten oder mittels Walzrollen. Dabei können die Kühlplatten oder Walzrollen aus Stahl sein und temperiert werden, damit die gewünschte Stahlblechtemperatur genauer eingestellt werden kann. Durch ein thermomechanisches Walzen mittels Walzrollen können die Gefügeeigenschaften bzgl. Duktilität und Feinkörnigkeit verbessert werden oder eine gegebenenfalls vorhandene
Zunderschicht aufgebrochen werden, damit diese durch zum Beispiel Druckluft leichter entfernt werden kann. Bei einer Zwischenkühlung mit temperierten Kühlplatten können vorhandene Oberflächenbeschichtungen schonender abgekühlt werden und die Gefahr eines Anhaftens an den Kühlplatten verringert werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt eine Zwischenkühlung in der T ransferphase zum zweiten Ofen derart, dass durch ein thermomechanisches Walzen mittels Walzrollen in einem ersten Formgebungsschritt ein profiliertes Halbzeug hergestellt wird oder mindestens ein Dickenunterschied (Tailored Rolled Blank) in das Stahlfeinblech eingewalzt wird. In einer weiteren Ausführungsvariante kann im zweiten Warmumformschritt (das heißt zweiter Presshärte-Teilschritt) ein Warmbeschnitt durchgeführt werden. Alternativ kann der zweite Warmumformschritt auch als Profilwalzen und/oder Biegeoperation ausgeführt sein, um profilierte Bauteile hersteilen zu können. Somit lassen sich durch die zweistufige Abschreck- bzw. Warmumform-Prozessfolge verschiedene Herstellrouten (Ausführungsvarianten) miteinander kombinieren.
Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Stahlmaterials nach dem wie zuvor beschriebenen, aus- und weitergebildeten Verfahren zum Herstellen eines
Fahrzeugkarosseriebauteils bzw. Fahrwerksbauteil. Ein aus einem derartigen Stahlmaterial ausgebildetes Fahrzeugkarosseriebauteil weist zum einen ein geringes Gewicht auf, so dass es ein hohes Leichtbaupotenzial hat. Ferner weist ein derartiges Fahrzeugkarosseriebauteil eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig sehr hoher Duktilität auf, so dass das Verhalten des
Fahrzeugkarosseriebauteils im Falle eines Unfalls des Fahrzeuges verbessert werden kann.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine Anlagenskizze, anhand der die in der Figur 2 angedeutete Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils veranschaulicht ist;
Figur 2 in einem Blockschaltdiagramm die Prozessabfolge zur Herstellung des
Stahlblechbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 3 ein Diagramm, dass den zeitlichen Verlauf der Stahlblechbauteil-Temperatur beim Einlegen in das Umformwerkzeug und beim anschließenden Presshärten zeigt;
Figur 4 und 5 jeweils Ansichten entsprechend der Figur 2 und 3 eines zweiten
Ausführungsbeispiels. Im Rahmen der beiden nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde jeweils als Vormaterial ein Stahlfeinblech 6 mit der folgenden besonders bevorzugten Stahllegierung verwendet, welche die folgenden Bestandteile in Gewichtsprozent aufweist:
0,40 bis 0,42 % Kohlenstoff
0,75 bis 0,85 % Mangan
1 ,8 bis 2,0 % Silizium
bis 0,01 % Aluminium
0,25 bis 0,35% Chrom, Nickel und Molybdän in Summe
0,03 bis 0,04 % Niob
0,005 bis zu 0,05 % Vanadium
bis 0,001 % Titan
0,0025 bis 0,004 % Bor
0,005 bis zu 0,01 % Stickstoff
0,001 bis 0,008 % Schwefel
0,005 bis 0,01 % Phosphor.
Rest Eisen und Verunreinigungen.
Aus dieser Stahllegierung wurde zunächst ein Vormaterial erstellt, in dem dieses zu
Gussblöcken gegossen und anschließend auf die gewünschten Maße geschmiedet worden ist. Anschließend wurde die Oberfläche gefräst. Dann erfolgte ein Warmwalzen, so dass ein plattenförmiges Vormaterial ausgebildet worden ist, welches anschließend 5 Stunden bei 690 °C im Ofen bei Luftatmosphäre wärmebehandelt worden ist. Dieses wärmebehandelte
Vormaterial wurde dann an seiner Oberfläche sandgestrahlt, um die bei der Wärmebehandlung entstandene Zunderschicht an der Oberfläche zu entfernen.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahlmaterials wurde dann dieses Vormaterial auf eine Dicke von ungefähr 3,5 mm kaltgewalzt. Unmittelbar nachfolgend zu dem Kaltwalzen erfolgte ein Wärmebehandlungsprozess 1 ,5 Stunden bei 690 °C in einem Ofen unter Vakuum. Die Abkühlung erfolgte anschließend unter einer Stickstoff-Atmosphäre. Anschließend wurde das Stahlmaterial auf die für das Anwendungsbeispiel benötigten Abmaße mit einer Dicke von 1 ,5 mm kaltgewalzt.
Nach der anhand der Figuren 1 bis 4 veranschaulichten Warmumformung weist das
Stahlmaterial die folgenden Kennwerte auf: Zugfestigkeit: Rm = 1200 MPa
Streckgrenze: Rp > 750 MPa
Bruchdehnung: A50 > 22 %
Biegewinkel: a > 100'
Brucheinschnürung: Z > 60%
Streckgrenzenverhältnis: Rp/Rm = 0,63
Duktilitäts-Kennwert: RmxA50 > 26400
In der Figur 1 ist grob schematisch eine Anlage skizziert, anhand der zunächst die
grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils 7 erläutert ist. Die Anlage weist beispielhaft einen Durchlaufofen 1 , einen als Batchofen realisierten Wärmebehandlungsofen 2, ein Umformwerkzeug 3 zur Warmumformung und Presshärtung von Stahlblechbauteilen 7 sowie eine Ablagestation 5 auf, in der die hergestellten Stahlblechbauteile 7 gelagert werden. Zunächst wird ein Stahlfeinblech 6 aus einem härtbaren Stahl in den Durchlaufofen 1 transferiert und dort in einem
Austenitisierungsschritt AU (Figur 3) auf eine Prozesstemperatur TA (Figur 3) oberhalb der werkzeugspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 des eingesetzten Stahls erwärmt, die beispielhaft bei 930°C liegt.
Das so erwärmte Stahlfeinblech 6 wird in einer Transferphase in den Wärmebehandlungsofen 2 transferiert und dort bei einer Bainitisierungstemperatur TB (Figur 3) einem Bainitisierungsschritt Atß (Figur 3) unterzogen. Anschließend wird das derart wärmebehandelte Stahlfeinblech 6 in das Umformwerkzeug 3 transferiert und dort in einem Presshärteschritt DΪH (Figur 3) zu dem Stahlblechbauteil 7 warmumgeformt und zugleich bis auf eine Entnahmetemperatur Taus (Figur 3) abgeschreckt. In der Figur 1 weist das Umformwerkzeug 3 zudem eine nur angedeutete Temperier-/Kühleinrichtung 9 auf, um das Umformwerkzeug 3 während des Presshärteschrittes Atx aktiv zu kühlen bzw. auf einer vordefinierten Werkzeugtemperatur zu halten.
In der Prozessabfolge der Figur 2 ist zeitlich zwischen dem Austenitisierungsschritt DΪA und dem Bainitisierungsschritt Atß ein Abschreckprozessschritt Ats (Figur 3) zwischengeschaltet, bei dem das Stahlfeinblech 6 in einer Abschreckzeit auf die Bainitisierungstemperatur TB (Figur 3) abgekühlt wird. Diese ist kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur Bs und größer als eine Bainit- Finish-Temperatur Bf. Im Bainitisierungsschritt Atß wird das Stahlfeinblech 6 über die
Bainitisierungszeit Atß auf der Bainitisierungstemperatur TB gehalten.
Im Abschreckprozessschritt Ats ist die Abkühlrate bevorzugt größer als 27°C/s. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei der Abkühlung weder das Ferrit- noch das Perlit-Gebiet P, F erreicht wird. Bevorzugt ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Abschreckprozessschritt Ats durch die Transferphase zwischen dem Durchlaufofen 1 und dem Batchofen 2 realisiert.
Nach Abschluss des Bainitisierungsschrittes Ate im Batchofen 2 wird das wärmebehandelte Stahlfeinblech 6 in einem Einlegeschritt sowie mit einer Einlegetemperatur Tein (Figur 3) in das Umformwerkzeug 3 eingelegt, woraufhin in einer Werkzeughaltephase der Presshärteschritt DΪH erfolgt. Wie aus der Figur 3 hervorgeht, ist die Bainitisierungstemperatur TB um einen Temperaturversatz DT größer als eine Martensit-Start-Temperatur Ms.
In der Figur 3 erfolgt im Bainitisierungsschritt Atß beispielhaft eine isotherme Wärmebehandlung bei einer konstanten Bainitisierungstemperatur TB, die hier in einem Bereich zwischen 450 und 500°C liegen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche isotherme Temperaturführung begrenzt. Vielmehr können auch andere geeignete Temperatur-Zeit-Profile angewendet werden. Entscheidend ist, dass sich im Bainitisierungsschritt Atß eine Gefügeumwandlung im Stahlfeinblech 6 im Wesentlichen in ein bainitisches Zwischenstufengefüge ergibt, und zwar ohne Bildung von Ferrit- und/oder Perlitgefüge. Alternativ kann bevorzugt als Sekundärphase zusätzlich Restaustenit und gegebenenfalls Martensit gebildet werden, indem die Bainitisierung vorzeitig beendet wird.
Nach Abschluss des Bainitisierungsschrittes Ate erfolgt in den Figuren 2 und 3 unverzüglich der Presshärteschritt Atn mit einer schlagartigen Abkühlung bis auf die Entnahmetemperatur Taus, und zwar insbesondere mit einer Abkühlrate, die größer als 27°C/s ist.
In der Figur 3 liegt die Entnahmetemperatur Taus knapp unterhalb der Martensit-Finish- Temperatur Mf. Nach dem Entnahmeschritt erfolgt ein Luftkühlschritt AW. in der Ablagestation 5, bei der das Stahlblechteil 7 an Luft bis auf eine Raumtemperatur abgekühlt wird.
Nach dem Luftkühlschritt Ati_K wird in der Figur 3 ein Partitioning-Wärmebehandlungsschritt Atp durchgeführt, bei dem Stahlblechteil 7 vergütet wird, um die Bauteil-Sprödigkeit zu reduzieren und die Bauteil-Duktilität zu erhöhen. Prozesstechnisch bevorzugt ist es, wenn der Partitioning- Wärmebehandlungsschritt Atp als integraler Bestandteil während der prozesstechnisch nachgeschalteten Fahrzeuglackierung stattfindet.
Anhand der Figuren 4 und 5 wird nachfolgend ein Verfahren gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel beschrieben, das eine alternative Prozessabfolge aufweist. Demzufolge ist in der Figur 4 oder 5 - in Abgrenzung zum ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 - zwischen dem Austenitisierungsschritt A und dem Presshärteschritt Atm weder ein
Abschreckprozessschritt noch ein Bainitisierungsschritt zwischengeschaltet. Vielmehr wird das Stahlfeinblech 6 nach erfolgter Austenitisierung unmittelbar in das Umformwerkzeug 3 eingelegt, wobei die Einlegetemperatur Tein größer als die Austenitisierungstemperatur Ac3 ist.
In den Figuren 4 und 5 ist der Presshärteschritt zweiteilig realisiert, und zwar mit einem ersten Presshärte-Teilschritt Atm und einem zweiten Presshärte-Teilschritt A
Im ersten Presshärte-Teilschritt Atm wird das im Umformwerkzeug 3 eingelegte Stahlfeinblech 6 von der Einlegetemperatur Tein bis auf eine Bainitisierungstemperatur TB abgekühlt, die kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur Bs und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur Bf ist. Im ersten Presshärte-Teilschritt Atm ist die Abkühlrate bevorzugt größer als 27°C/s. Zeitlich unmittelbar nach dem ersten Presshärte-Teilschritt Atm erfolgt ein Bainitisierungsschritt Atß, bei dem das Stahlfeinblech 6 über eine Bainitisierungszeit auf der Bainitisierungstemperatur TB gehalten wird. Auf diese Weise findet eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit statt. Der Bainitisierungsschritt Atß kann beispielhaft in einer vom
Umformwerkzeug separaten Erwärmungseinrichtung erfolgen.
Anschließend erfolgt in der Figur 4 oder 5 der zweite Presshärte-Teilschritt A , bei dem das Stahlfeinblech 6 bis auf eine Martensit-Finish-Temperatur Mf abgekühlt wird. Im zweiten Presshärte-Teilschritt AtH2 ist die Abkühlrate bevorzugt größer als 27°C/s. Das somit fertiggestellte Stahlblechteil 7 wird mit einer Entnahmetemperatur Taus in einem Bereich unterhalb der Martensit-Finish-Temperatur Mf entnommen und zur Ablagestation 5 transferiert. In der Ablagestation 5 erfolgt ein Luftkühlschritt Ati_K, bei der das gebildete Stahlblechteil 7 an Luft bis auf eine Raumtemperatur abgekühlt wird. Nach dem Luftkühlschritt Atu wird - wie im ersten Ausführungsbeispiel - ein Partitioning-Wärmebehandlungsschritt Atp durchgeführt, bei dem Stahlblechteil 7 vergütet wird, um die Bauteil-Sprödigkeit zu reduzieren und die Bauteil- Duktilität zu erhöhen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebene besonders bevorzugte Ausgestaltung. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen
hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Bezugszeichenliste
1 Durchlaufofen
2 Batchofen
3 Umformwerkzeug
5 Ablagestation
6 Stahlfeinblech
7 Stahlblechbauteil
9 Temperier-/Kühlsystem
TA Stahlfeinblech-Temperatur im Durchlaufofen
TB Stahlfeinblech-Temperatur im Batchofen
Tein Einlegetemperatur
Taus Entnahmetemperatur
DT Temperaturversatz
F Ferritgebiet
P Perlitgebiet
B Bainitgebiet
ÄtA Austenitisierungsschritt
Atß Bainitisierungsschritt
Ats Abschreckprozessschritt
DΪH Presshärteschritt
Atm , AtH2 Presshärte-T eilschritte
AtiK Luftkühlungsschritt
Atp Partitioning-Wärmebehandlungsschritt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines warm umgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils (7) mit einem Gefüge aus im Wesentlichen Bainit, Restaustenit und gegebenenfalls Martensit für den Fahrzeugbau, bei dem ein Vormaterial in Form eines Stahlfeinblechs (6) bereitgestellt wird, das aus einem Stahl hergestellt ist, der insbesondere in
Gewichtsprozent die folgenden Bestandteile aufweist:
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff
0,3 bis 2,5 % Mangan
0,8 bis 2,2 % Silizium
bis 0,06 % Aluminium
bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe
bis 0,06 % Niob
bis 0,1 % Vanadium
bis 0,05 % Titan
0,001 bis 0,01 % Bor
bis 0,01 % Stickstoff
bis 0,01 % Schwefel
bis 0,02 % Phosphor
Rest Eisen und Verunreinigungen, wobei in dem Verfahren in einer zeitlichen Prozessabfolge in einem Austenitisierungsschritt (DΐA) das Stahlfeinblech (6) für eine Austenitisierungszeit auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 gehalten wird, in einem Einlegeschritt das Stahlfeinblech (6) mit einer Einlegetemperatur (Tein) in ein Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, und in einem Presshärteschritt (DΪH) das im Umformwerkzeug (3) eingelegte Stahlfeinblech (6) in einer Abkühlzeit abgekühlt wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechteils (7), und in einem Entnahmeschritt das Stahlblechteil (7) mit einer Entnahmetemperatur (Taus) aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich zwischen dem Austenitisierungsschritt (DΐA) und dem Presshärteschritt (DΐH) ein Abschreckprozessschritt (Ats), bei dem das Stahlfeinblech (6) in einer Abschreckzeit auf eine Bainitisierungstemperatur (TB) abgekühlt wird, die kleiner als eine Bainit-Start- Temperatur und größer als eine Bainit-Finish-Temperatur ist, und ein Bainitisierungsschritt (DΐB) erfolgt, bei dem das Stahlfeinblech (6) über eine Bainitisierungszeit auf der
Bainitisierungstemperatur (TB) gehalten wird, so dass eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit stattfindet, und dass insbesondere der
Abschreckprozessschritt bei einer Abkühlrate von größer als 27 °C/s durchgeführt wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines warm umgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils (7) mit einem Gefüge aus im Wesentlichen Bainit, Restaustenit und gegebenenfalls Martensit für den Fahrzeugbau, bei dem ein Vormaterial in Form eines Stahlfeinblechs (6) bereitgestellt wird, das aus einem Stahl hergestellt ist, der insbesondere in
Gewichtsprozent die folgenden Bestandteile aufweist:
0,30 bis 0,42 % Kohlenstoff
0,3 bis 1 ,0 % Mangan
0,8 bis 2,2 % Silizium
bis 0,06 % Aluminium
bis 0,5 % Chrom, Nickel und Molybdän in Summe
bis 0,06 % Niob
bis 0,1 % Vanadium
bis 0,005 % Titan
0,001 bis 0,005 % Bor
bis 0,01 % Stickstoff
bis 0,01 % Schwefel
bis 0,02 % Phosphor
Rest Eisen und Verunreinigungen, wobei in dem Verfahren in einer zeitlichen Prozessabfolge in einem Austenitisierungsschritt (DΪA) das Stahlfeinblech (6) für eine Austenitisierungszeit auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 gehalten wird, in einem Einlegeschritt das Stahlfeinblech (6) mit einer Einlegetemperatur (Tein) in ein Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, und in einem Presshärteschritt (DΪH) das im Umformwerkzeug (3) eingelegte Stahlfeinblech (6) in einer Abkühlzeit abgekühlt wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechteils (7), und in einem Entnahmeschritt das Stahlblechteil (7) mit einer Entnahmetemperatur (Taus) aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Austenitisierungsschritt (DΪA), insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Abschreckprozessschritts (Dΐe) oder eines Bainitisierungsschritts (DΪB) , unmittelbar anschließend der Presshärteschritt (DΐH) erfolgt, und dass der Presshärteschritt (DΐH) zweiteilig mit einem ersten Presshärte-Teilschritt (DΐHi) und einem zweiten Presshärte- Teilschritt (DΐH2) realisiert ist, dass im ersten Presshärte-Teilschritt (DΐHi) das Stahlfeinblech (6) von der Einlegetemperatur (Tein) oberhalb der
Austenitisierungstemperatur Ac3 bis auf eine Bainitisierungstemperatur (TB) abgekühlt wird, die kleiner als eine Bainit-Start-Temperatur und größer als eine Bainit-Finish- Temperatur ist, dass zeitlich unmittelbar nach dem ersten Presshärte-Teilschritt (DΪHI) ein Bainitisierungsschritt (DΪB) erfolgt, bei dem das Stahlfeinblech (6) über eine
Bainitisierungszeit auf der Bainitisierungstemperatur (TB) gehalten wird, so dass eine Gefügeumwandlung in Bainit mit stabilisiertem Restaustenit stattfindet, und dass anschließend der zweite Presshärte-Teilschritt (DΪH2) erfolgt, bei dem das Stahlfeinblech (6) in rascher Abkühlung bis auf kleiner oder gleich die Martensit-Finish-Temperatur (Mf) bzw. kleiner oder gleich 200°C abgekühlt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im
Entnahmeschritt die Entnahmetemperatur (Taus) bevorzugt in einem Bereich kleiner oder gleich der Martensit-Finish-Temperatur (Mf) liegt bzw. kleiner oder gleich 200°C, und/oder dass nach dem Presshärteschritt (DΪH), insbesondere nach dem Entnahmeschritt, ein Luftkühlschritt (Äti.) erfolgt, bei dem das gebildete Stahlblechteil (7) für eine Luftkühl-Zeit an Luft bis auf eine Raumtemperatur (TR) abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich nach dem Presshärteschritt (DΪH), insbesondere nach dem Luftkühlschritt (Dΐi_), ein Partitioning-Wärmebehandlungsschritt (Dΐr) erfolgt, bei dem das Stahlblechteil (7) vergütet wird, um die Bauteil-Sprödigkeit zu reduzieren und die Bauteil-Duktilität zu erhöhen, und/oder dass die Bruchdehnung (zum BeispielA50) des Stahlblechteils (5) durch den nachgelagerten Partitioning- Wärmebehandlungsschritt (Dΐr) (Bainit-Partitioning) bei >100- 225°C für 30 Sekunden bis 60 Minuten, bevorzugt bei >150-200°C für 5-30 Minuten von 5 - 7% auf >16 - 40% gesteigert werden kann, und/oder dass in einem weiteren
Prozessschritt nach dem Partitioning- Wärmebehandlungsschritt (Dΐr) eine weitere (Kalt-)- Formgebungsoperation und gegebenenfalls eine Fügeoperation erfolgt, um
beispielsweise einen geschlossenen Profilquerschnitt durch einen Biegeprozess herzustellen oder mindestens einen Bereich des Bauteils gezielt zu verfestigen, und/oder dass der Partitioning- Wärmebehandlungsschritt (Dΐr) auch als integraler Bestandteil während der Fahrzeuglackierung durchführbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung Gehalte an Chrom, Nickel und/oder Molybdän aufweist, wobei die Summe an Chrom, Nickel und Molybdän weniger als 0,5 %, bevorzugt weniger als 0,35 %, aufweist, und/oder dass das Stahlblechbauteil (7) eine Streckgrenze Re > 600 MPa, eine Zugfestigkeit Rm > 900 MPa und/oder eine Bruchdehnung A50 > 16% aufweist, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Äts) durch eine Transferphase zwischen dem Austenitisierungsschritt (DΪA) und dem Presshärteschritt (DΪH) realisiert ist, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Dΐe) derart rasch erfolgt, dass weder das Ferrit- noch das Perlitgebiet (P, F) erreicht werden, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Dΐe) in einer Kühlphase von weniger als 30 Sekunden erfolgt, insbesondere mittels Luftkühlung oder mittels Kühlplatten oder mittels Walzrollen, und/oder dass der
Abschreckprozessschritt (Dΐe) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (DΪB) mit Kühlplatten derart erfolgt, dass eine einfache mechanische Presse verwendet werden kann, die Kühlplatten aus Stahl sind und temperiert werden können, damit die
gewünschte Stahlblechtemperatur genauer eingestellt werden kann und gegebenenfalls eine Oberflächenschutzschicht geschont werden kann.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschreckprozessschritt (Dΐe) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (DΪB) derart erfolgt, dass durch Walzen, die temperiert werden können, ein thermomechanisches Walzen durchgeführt wird, um die Gefügeeigenschaften bzgl. Duktilität und Feinkörnigkeit zu verbessern oder um eine gegebenenfalls vorhandene Zunderschicht aufzubrechen, damit diese durch zum Beispiel Druckluft leichter entfernt werden kann, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Dΐe) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (DΪB) derart erfolgt, das durch ein thermomechanisches Walzen in einem ersten Formgebungsschritt ein profiliertes Halbzeug hergestellt wird, und/oder dass der Abschreckprozessschritt (Dΐe) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (DΪB) derart erfolgt, dass durch
thermomechanisches Walzen mindestens ein Dickenunterschied (Tailored Rolled Blank) in das Stahlfeinblech eingewalzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem
Abschreckprozessschritt (Ats) in der Transferphase zum Bainitisierungsschritt (DΐB) eine zusätzlich Korrosionsschutz-Beschichtung auf das Stahlfeinblech (6) aufgebracht wird, vorzugsweise aufgesprüht wird, derart, dass die Temperatur im anschließenden
Bainitisierungsschritt (DΐB) für die Ausbildung eines Schichtverbundes genutzt werden kann, und/oder dass im Bainitisierungsschritt (DΐB) beliebige, geeignete Zeit-Temperatur- Profile realisierbar sind, beispielhaft kann ein isothermer Verlauf einer Stahlfeinblech- Temperatur eingestellt werden, oder alternativ dazu kann auch ein rampenförmig oder stufenförmig fallender oder steigender Verlauf einer Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden, und/oder dass der ersten Presshärte-Teilschritt (DΪHI) und der zweite Presshärte- Teilschritt (Ä ) im gleichen Umformwerkzeug (3) oder in der gleichen Umformstation durchgeführt werden, und/oder dass im zweiten Presshärte-Teilschritt (Ä ) ein
Warmbeschnitt durchführbar ist, oder das Umformwerkzeug zur Durchführung des zweiten Presshärte-Teilschritts (DΪH2) als Profilwalzen oder als Biegeoperation ausgeführt ist, und/oder dass durch den zweistufigen Presshärteschritt (DΪH) bzw. durch den
Abschreckprozessschritt (Dΐe) die Taktzeiten reduziert werden können.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweistufigen Presshärteschritt (DΪH) die Presse des Umformwerkzeugs (3) relativ einfach und damit kostengünstig ausführbar ist, so dass insbesondere für die Abschreckprozesse bzw. Formhärtungsschritte mechanische Pressen anstelle von kostenintensiven servohydraulischen Pressen verwendbar sind.
9. Stahlblechbauteil, das nach einem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen hergestellt ist, und dass insbesondere das Stahlblechbauteil ein
Fahrzeugkarosseriebauteil ist.
10. Verwendung des Stahlblechbauteils nach Anspruch 9 zur Herstellung eines
Fahrzeugfahrwerkbauteils.
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