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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrdimensional gefügestrukturierten, tiefziehfähigen Metallflachprodukts, das durch Walzen aus einem Vorprodukt erzeugt wird. Dabei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere mindestens einen Umformschritt, bei dem das Metallflachprodukt bei Umgebungstemperatur kaltverformt wird.
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Ebenso betrifft die Erfindung ein Metallflachprodukt, das durch Walzen eines Vorprodukts hergestellt ist und das als Endprodukt, d. h. als fertig verarbeitetes Kaltband, mindestens eine, typischerweise zwei Oberfläche(n) mit ebener Planlage besitzt.
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In der vorliegenden Anmeldung bedeutet gefügestrukturierter Bereich, dass der betreffende Bereich ein durch Umformung lokal modifiziertes bzw. beeinflusstes Gefüge aufweist. Dieses ist zumindest zu Anteilen verfestigt bzw. zeichnet sich durch lokal unterschiedliche Verfestigungszustände aus. Bei einer nach der strukturierenden Behandlung durchgeführten Wärmebehandlung wird die Verfestigung durch lokal unterschiedliche Rekristallisations- und/oder Erholungsprozesse (Entfestigung) in eine heterogene Gefügeausbildung umgewandelt.
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Bei Metallflachprodukten der hier in Rede stehenden Art handelt es sich typischerweise um Walzprodukte, wie Metallbänder oder -bleche sowie daraus hergestellte Zuschnitte und Platinen. Die Metallflachprodukte können aus kristallinen metallischen Werkstoffen bestehen, zu denen beispielsweise auch die Leichtmetallwerkstoffe, wie Al- oder Mg-Legierungen, gehören. Insbesondere eignet sich die Erfindung für solche Metallflachprodukte, die aus geeigneten Stahlwerkstoffen bestehen, wie beispielsweise aus mikrolegierten Stählen, hochfesten oder dichtereduzierten Leichtbaustählen, Stählen, die mit Mn-Gehalten von mehr als 4 Gew.-% legiert sind, Mehrphasenstählen, wie beispielsweise Dualphasenstählen, TRIP-Stählen oder austenitischen Edelstählen. Generell eignen sich stark verfestigende Stähle, wie beispielsweise Stähle mit austenitischen Gefügebestandteilen, besonders gut, weil sich ausgehend von diesen Stählen die erfindungsgemäßen Produkte besonders vorteilhaft herstellen lassen.
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Flachprodukte der hier in Rede stehenden Art haben insbesondere im Bereich des Automobilbaus eine wachsende Bedeutung, da sie besonders leichte Karosserie- und Fahrwerkskonstruktionen ermöglichen. Ein geringes Gewicht trägt nicht nur zur optimalen Nutzung der technischen Leistungsfähigkeit des jeweiligen Antriebsaggregats bei, sondern unterstützt die Ressourceneffizienz, Kostenoptimierung und den Klimaschutz.
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Eine entscheidende Reduzierung des Eigengewichts von Blechkonstruktionen kann durch die Steigerung ihrer mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Festigkeit des jeweils verarbeiteten Metallflachprodukts erreicht werden. Neben einer hohen Festigkeit werden von modernen Flachprodukten gerade im Automobilbau aber auch gute Zähigkeitseigenschaften, ein gutes Sprödbruchwiderstandsverhalten, sowie eine optimale Eignung zum Kaltumformen und zum Schweißen erwartet.
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Um diese Anforderungskombinationen zu erfüllen, werden so genannte ”Tailored Products” eingesetzt. Hierzu zählen ”Tailored Blanks”, welche aus mindestens zwei in-, an- oder aufeinander gelegten und miteinander verschweißten Blechzuschnitten bestehen. Das Material und die Geometrie der Blechzuschnitte sind dabei so gewählt und die Blechzuschnitte unter Berücksichtigung der Form des aus dem Tailored Blank zu fertigenden Bauteils so angeordnet, dass das Bauteil den Belastungen und sonstigen Anforderungen, denen es in seinen jeweiligen Abschnitten, die den Blechzuschnitten zugeordnet sind, im praktischen Einsatz ausgesetzt ist, optimal standhält.
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Eine andere Möglichkeit, ein Metallflachprodukt so zu fertigen, dass ein aus ihm gefertigtes Bauteil an die in der Praxis lokal auftretenden Belastungen angepasst ist, besteht darin, das Metallflachprodukt schon bei seiner Fertigung so zu formen oder zu behandeln, dass es bestimmte Zonen aufweist, die andere Eigenschaften besitzen als die Bereiche des Metallflachprodukts, die an die betreffenden Zonen angrenzen.
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Zu den Verfahren, die eine Herstellung solcher Metallflachprodukte ermöglichen, gehört das so genannte ”Flexible Walzen”, bei dem im Zuge eines Warm- oder Kaltwalzens in das Metallflachprodukt Zonen unterschiedlicher Dicke eingeformt werden. (
DE 100 41 280 A1 ).
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Ebenso ist unter dem Stichwort ”Tailored Tempering” ein Verfahren bekannt, bei dem durch gezielte Wärmezu- oder Abfuhr das Gefüge des Metallflachprodukts so eingestellt wird, dass Gefügezonen mit besonderen mechanischen Eigenschaften neben Gefügebereichen liegen, in denen andere mechanische Eigenschaften vorhanden sind (
DE 10 2005 025 026 B3 ).
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2010 000 292 B4 ein Verfahren zur Herstellung so genannter ”Tailored Rerolled Blanks” bekannt. Dazu wird das jeweilige Metallband mit über Bandlänge variierender Dicke warmgewalzt, wobei sich die Bereiche unterschiedlicher Dicke jeweils über die Breite des Bands erstrecken. Das erhaltene Warmband wird dann einem Kaltwalzprozess unterzogen, bei dem es mit konstantem Walzspalt zu Kaltband mit konstanter Dicke gewalzt wird. Bedingt durch die unterschiedlichen Nachwalzgrade, denen die aneinander grenzenden Bereiche des Warmbands in Folge der über dessen Länge variierenden Ausgangsdicken beim Kaltwalzen ausgesetzt sind, weist das nach dem Kaltwalzen erhaltene Kaltband aneinander angrenzende Zonen mit unterschiedlichen Verfestigungszuständen und dementsprechend unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften auf, die sich jeweils über die Breite des Bands erstrecken. Das ”Tailored Rerolled Blanks”-Verfahren zielt somit speziell auf eine großflächige Beeinflussung der Materialkennwerte ab.
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Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung von Metallflachprodukten mit einer an die jeweiligen Anforderungen optimal angepassten Gefügestruktur und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften ermöglicht.
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Darüber hinaus sollte ein entsprechend beschaffenes Metallflachprodukt geschaffen werden.
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In Bezug auf das Verfahren ist diese Aufgabe dadurch gelöst worden, dass bei der Herstellung eines Metallflachprodukts der eingangs angegebenen Art mindestens die in Anspruch 1 aufgezählten Arbeitsschritte absolviert werden.
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In Bezug auf das Metallflachprodukt besteht dagegen die Lösung der oben genannten Aufgabe darin, dass es in der in Anspruch 15 angegebenen Art und Weise beschaffen ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
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Bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines mehrdimensional gefügestrukturierten, tiefziehfähigen Metallflachprodukts, wird somit ein Vorprodukt, bei dem es sich um einen Block, einen Vorblock, eine Bramme, eine Dünnbramme, einen Barren, ein gegossenes Band oder jedes andere üblicherweise für die walztechnische Erzeugung von Flachprodukten aus dem jeweiligen Metallwerkstoff geeignetes Zwischenerzeugnis handeln kann, durch einen Walzprozess zu dem Metallflachprodukt geformt. Der Walzprozess umfasst dabei insbesondere mindestens einen Umformschritt, bei dem das Metallflachprodukt kaltverformt wird, wobei zuvor in einem ersten Umformschritt eine Oberflächenstruktur in mindestens eine der Oberflächen des Metallflachprodukts eingeformt wird und wobei die im ersten Umformschritt in das Metallflachprodukt eingeformte Oberflächenstruktur in dem mindestens einen typischerweise als Kaltverformungsschritt durchgeführten zweiten Umformschritt durch Kaltwalzen mit einer unstrukturierten Walze eingeebnet wird.
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Dabei wird zuvor insbesondere sichergestellt, dass das Gefüge nach dem ersten Umformschritt weitestgehend homogenisiert und rekristallisiert ist. Erfindungsgemäß wird nun der erste Umformschritt so durchgeführt, dass die im ersten Umformschritt in die Oberfläche eingeformte Oberflächenstruktur aus Vertiefungen und zwischen den Vertiefungen vorhandenen Erhebungen gebildet ist, bei denen die Vertiefungen jeweils vollständig von Erhebungen oder die Erhebungen jeweils vollständig von Vertiefungen umgrenzt sind.
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Erfindungsgemäß wird also mittels eines geeigneten Werkzeugs in mindestens eine der Oberflächen des Metallflachprodukts eine Oberflächenstruktur eingeprägt, bei der die jeweiligen Vertiefungen der Oberflächenstruktur zwar zur betreffenden Oberfläche hin offen sind, bei dem sie aber an ihrem Umfang jeweils vollständig vom Material des Metallflachprodukts umgrenzt sind. Genauso kann die im ersten Umformschritt eingeformte Oberflächenstruktur aus Erhebungen und zwischen den Erhebungen vorhandenen Vertiefungen bestehen, wobei die Erhebungen jeweils von Vertiefungen vollständig umgeben sind.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Strukturierung und folgende Einebnung der Strukturierung kann dadurch erfolgen, dass zunächst in die Oberfläche eines Warmbands beim Warmwalzen in erfindungsgemäßer Weise eine Struktur eingeprägt und diese Struktur anschließend durch Kaltwalzen des Warmbands geglättet wird. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Struktur beim Kaltwalzen eines Warmbands in die Oberfläche des Warmbands einzuformen, dann rekristallisierend wärmezubehandeln und anschließend in einem weiteren Kaltwalzschritt diese Oberflächenstruktur wieder einzuebnen.
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Anders als beim Stand der Technik, bei dem die Vertiefungen als Streifen, die sich quer zu dessen Längsrichtung über die gesamte Breite des Metallflachprodukts erstrecken und dementsprechend zu den jeweiligen Längsrändern des Metallflachprodukts offen sind, sind bei dem nach dem ersten erfindungsgemäß absolvierten Umformschritt erhaltenen Metallflachprodukt entweder die Vertiefungen in ihrem Umfangsrandbereich von den dort nach dem ersten Umformschritt verbliebenen Erhebungen umschlossen oder es sind die Erhebungen jeweils vollständig von Vertiefungen umschlossen. Diese können dabei die Grundform einer Näpfchenausnehmung, eines in die Oberfläche eingeformten Kalottenabdrucks, einer Wabe oder desgleichen aufweisen. Genauso können die Erhebungen in umgekehrter Weise die Form eines näpfchenartig, kalottenartig, in Draufsicht wabenförmig oder in sonstiger Weise geformten Berges besitzen.
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Die erfindungsgemäße Erzeugung eines Metallflachprodukts erlaubt es auf diese Weise, Metallflachprodukte mit einer kleinzelligen Gefügestruktur herzustellen, bei der die Zonen mit unterschiedlichen Eigenschaften in feiner Verteilung und minimierten Abmessungen vorliegen. Die Zonen, in die im ersten Umformschritt die Vertiefungen eingebracht werden, werden dabei im zweiten Umformschritt weniger stark verformt als die Bereiche, in denen nach der ersten Umformung Erhebungen verblieben sind. Dementsprechend kommt es in den stärker verformten Bereichen im Zuge des im zweiten Umformschritt erfolgenden Einebnens der zuvor eingeprägten Oberflächenstruktur zu einer erhöhten Verfestigung. Zudem können in den beim Einebnen stärker verformten Bereichen andere Gefügebestandteile mit anderen Eigenschaften vorliegen, als in den weniger verformten Bereichen. Dies kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung oder dem Ausgangsgefüge vor der erfindungsgemäßen Umformung durch Umwandlungsvorgänge bedingt sein, die erst ab bestimmten Umformgraden eine für den jeweiligen Vorgang ausreichende Aktivierungsenergie erhalten.
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Dabei setzt die Erfindung keine besonderen Herstellwege voraus. Vielmehr lassen sich die erfindungsgemäß vorgesehenen Umformschritte in die konventionelle Fertigung von Metallflachprodukten der hier in Rede stehenden Art problemlos einbinden. Erfindungsgemäß verarbeitete Metallflachprodukte können daher in üblicher Weise hergestellt werden, wobei die erfindungsgemäß vorgeschriebenen Arbeitsschritte entweder in ein solches konventionelles Herstellverfahren eingebunden oder als separat absolvierte Arbeitsschritte an einem in konventioneller Weise erzeugten und dann für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellten Metallflachprodukts vorgenommen werden.
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Die durch die Erfindung ermöglichte Gestaltung des Gefüges lässt sich dazu nutzen, ein erfindungsgemäßes Metallflachprodukt nach Art eines Fachwerks mit einer filigran verästelten Stützstruktur aus steg- oder rippenförmigen Bereichen höherer Festigkeit zu versehen, die jeweils einen Bereich mit geringerer Festigkeit, jedoch beispielsweise besseren Dehnungseigenschaften umgrenzen. Ein derart strukturiertes erfindungsgemäßes Metallflachprodukt weist eine gegenüber einem unstrukturierten Metallflachprodukt gleicher Zusammensetzung und im Übrigen gleicher Herstellweise deutlich verbesserte Formsteifigkeit auf, lässt sich aber dennoch aufgrund der hohen Anteile von weniger verfestigten und damit zäheren Zonen gut zu dem jeweiligen Bauteil verformen. Dies gilt insbesondere auch deshalb, weil das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt im Wesentlichen eben ist.
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Besonders deutlich zeigt sich dies, wenn die Vertiefungen der im ersten Umformschritt in die Oberfläche eingeformten Oberflächenstruktur regelmäßig über die Oberfläche und dementsprechend auch die weniger verfestigten Bereiche regelmäßig verteilt im Gefüge eines fertigen erfindungsgemäßen Metallflachprodukts verteilt sind. Hierzu können die im ersten Umformschritt in das Metallflachprodukt eingeformten Vertiefungen wabenförmig, insbesondere nach Art von Bienenwaben sechseckig, ausgebildet sein. Jedoch kann unter Berücksichtigung der im praktischen Einsatz auf ein aus einem erfindungsgemäßen Metallflachprodukt geformtes Bauteil wirkenden Belastungen die Oberflächenstruktur auch nach Art anderer geometrischer oder organisch gebildeter Muster ausgebildet sein. Denkbar ist es auch, aus ineinander übergehenden Vertiefungen einen Verband zu bilden, der dann insgesamt von einer Erhebung umgeben ist.
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Ebenso wie die Vertiefungen können auch die nach dem ersten Umformschritt verbleibenden Erhebungen der Oberflächenstruktur unter Berücksichtigung der später auf die aus dem jeweiligen erfindungsgemäßen Metallflachprodukt geformten Bauteile wirkenden Belastungen ausgelegt werden. So können die Erhebungen nach Art von Rippen oder Bergplateaus geformt sein, deren Ausdehnung und Form an die jeweiligen Anforderungen angepasst sind. So ist es möglich, die Festigkeit eines erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts durch die Dimensionierung der Gefügebereiche besonderer Festigkeit gezielt einzustellen.
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Abhängig von den Grundeigenschaften, die das jeweilige Metallflachprodukt aufgrund seiner Legierungsbestandteile, der zu seiner Herstellung durchlaufenen Arbeitsschritte etc. aufweist oder der später vorgesehenen Verwendung des erfindungsgemäßen Produkts, kann es zweckmäßig sein, wenn die maximale Ausdehnung in beliebiger Richtung in der Blechebene der im ersten Umformschritt in die Oberfläche eingebrachten Vertiefungen oder Erhebungen 3–50 mm beträgt. Auch der Abstand der jeweils von Erhebungen umgrenzten Vertiefungen oder der Abstand der jeweils von Vertiefungen umgrenzten Erhebungen beträgt dementsprechend optimalerweise jeweils 3–50 mm.
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In vielen Anwendungsfällen wird es ausreichen, wenn im ersten Umformschritt die Oberflächenstruktur in nur eine Oberfläche des Metallflachprodukts eingeformt wird. Jedoch ist es selbstverständlich ebenso möglich, die Oberflächenstruktur beidseitig in das Metallflachprodukt einzuformen.
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Unabhängig davon nimmt die Tiefe der in die Oberfläche eingeformten Vertiefungen im Mittel typischerweise 2–50%, insbesondere 4–30% der Dicke des Metallflachprodukts ein. Abhängig von der verwendeten Stahlgüte werden unterschiedliche lokale Vertiefungen eingestellt. Dabei werden bei stark verfestigten Werkstoffen (z. B. Stähle mit hohen Anteilen an austenitischem Gefüge oder auch DP-Stähle) eher geringere Vertiefungen, z. B. im Bereich von 2–20% der Blechdicke, eingestellt. Die Verfestigung wirkt sich nämlich auch auf die erreichbare Härte aus. So wurde bei den stark verfestigenden Werkstoffen mit hohen Anteilen an austenitischen Gefügebestandteilen festgestellt, dass schon eine Steigerung des Umformgrades Δe (Δe = (Dicke vor der Umformoperation – Dicke nach der Umformoperation)/Dicke vor der Umformoperation) um 10% ausreicht, um eine Erhöhung der nach DIN EN ISO 6507-1 bestimmten Mikrohärte um mehr als 50 HV 0,1 zu erzielen. Bei schwächer verfestigenden und insgesamt weicheren Werkstoffen ist es dagegen vorteilhaft, wenn größere Tiefen von beispielsweise 20% oder mehr der Blechdicke eingestellt werden. Typische Dicken erfindungsgemäßer Metallflachprodukte liegen im Bereich von 0,1–10 mm, insbesondere 0,3–5 mm.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur in jeder geeigneten Weise mittels eines geeigneten Werkzeugs in die jeweilige Oberfläche des Metallflachprodukts eingeformt und anschließend im zweiten Umformschritt eingeebnet werden. Das zum Einprägen der Oberflächenstruktur im ersten Arbeitsschritt eingesetzte Werkzeug weist dann auf seiner auf die mit der Oberflächenstruktur zu versehenden Oberfläche des Metallflachprodukts wirkenden Fläche ein Negativ der auf dem Metallflachprodukt abzubildenden Struktur auf. Das zum Einebnen verwendete Werkzeug ist dagegen an seiner mit der einzuebnenden Oberfläche des Metallflachprodukts versehenen Fläche in dem Maße eben ausgebildet, wie es erforderlich ist, um an dem Metallflachprodukt eine Oberfläche mit ebener Planlage zu erzeugen.
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Besonders effektiv lassen sich die erfindungsgemäß vorgesehenen Umformschritte dadurch absolvieren, dass sowohl der erste Umformschritt, in dem die Oberflächenstruktur in die jeweilige Oberfläche des Metallflachprodukts eingeformt wird, als auch der zweite Umformschritt, in dem die im ersten Umformschritt in das Metallflachprodukt eingeformte Oberflächenstruktur durch eine Kaltverformung eingeebnet wird, als Walzschritte ausgeführt werden. Als Werkzeug wird dann die auf die jeweilige Oberfläche des Metallflachprodukts wirkende Arbeitswalze eingesetzt, die im ersten Umformschritt an ihrer mit dem Metallflachprodukt in Kontakt kommenden Umfangsfläche als Negativ die in die Oberfläche des Metallflachprodukts einzuprägende Oberflächenstruktur trägt, wogegen beim zweiten Umformschritt die der mit der Oberflächenstruktur versehenen Oberfläche zugeordnete Arbeitswalze eine in dem Maße glatte Umfangsfläche aufweist, wie sie zum Erzeugen einer planebenen Oberfläche erforderlich ist. Der Walzspalt wird während des zweiten Umformschritts dabei mindestens auf die im Bereich der Vertiefungen der Oberflächenstruktur verbliebenen Dicke (”Grunddicke”) des Metallflachprodukts eingestellt, um ein ebenes Band zu gewährleisten.
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Erfolgt bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Metallflachprodukts eine Warmformgebung, insbesondere ein Warmwalzen, so bietet es sich an, den ersten Umformschritt als Warmformgebungsschritt, insbesondere als Warmwalzschritt, durchzuführen. Durchläuft das Metallflachprodukt bei seiner Herstellung beispielsweise mehrere Warmwalzstiche, wie es bei der Erzeugung eines warmgewalzten Stahlflachprodukts üblich ist, so wird der erfindungsgemäße erste Umformschritt zweckmäßigerweise im letzten Stich vor dem Ende des Warmwalzens durchgeführt.
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Der Vorteil der Ausführung des ersten Umformschritts eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Warmformgebungsschritt, insbesondere Warmwalzstich, besteht nicht nur in den verminderten Umformkräften, sondern auch darin, dass die Gefügebeschaffenheit durch das beim Warmformgeben, insbesondere Warmwalzen, erfolgende Einformen der Vertiefungen und Ausprägen der die Vertiefungen umgebenden Erhebungen nur unwesentlich beeinflusst wird und somit nach der Warmformgebung ein im Wesentlichen homogenes und rekristallisiertes Gefüge besteht. Im nach dem Warmformgeben, insbesondere Warmwalzen, erhaltenen Metallflachprodukt liegen somit im Bereich der Vertiefungen und der Erhebungen weitestgehend gleiche Gefügezustände vor. Die Einstellung der unterschiedlichen Gefügebeschaffenheiten, wie sie erfindungsgemäß angestrebt werden, ist dann ausschließlich auf den nachfolgenden zweiten Umformschritt verlagert, bei dem die zuvor eingeprägte Oberflächenstruktur eingeebnet wird. Auf diese Weise kann über die Dimensionierung der Oberflächenstruktur und die Wahl des Umformgrads beim Kaltwalzen das Ergebnis der im Zuge des Einebnens eintretenden bereichsweisen Eigenschaftsänderungen des Gefüges mit großer Genauigkeit eingestellt werden.
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Um zu verhindern, dass das Ergebnis des Einformens und Einebnens der Oberflächenstruktur durch auf dem warmverformten Metallflachprodukt haftenden Zunder beeinträchtigt wird, sollte spätestens unmittelbar vor dem Einebnen in konventioneller Weise eine Behandlung zur Entfernung des Zunders, beispielsweise eine Beizbehandlung, durchgeführt werden.
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Alternativ zu einer erfindungsgemäßen Verfahrensweise, bei der der erste Umformschritt ein Warmwalzschritt ist, ist es auch möglich, den ersten Umformschritt, bei dem die Oberflächenstruktur in das Metallflachprodukt eingeformt wird, als Kaltwalzschritt durchzuführen, wobei sich in diesem Fall zweckmäßigerweise eine Wärmebehandlung anschließt, bevor die Oberflächenstruktur im zweiten Umformschritt eingeebnet wird. Die typischerweise als Glühbehandlung durchgeführte Wärmebehandlung dient zum Einstellen einer optimierten Beschaffenheit des Metallflachprodukts für den zweiten Umformschritt.
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Auch wenn beim zweiten Umformschritt die zuvor eingeprägte Oberflächenstruktur eingeebnet werden soll, schließt dies nicht aus, dass der zweite Umformschritt dazu genutzt wird, gezielt mindestens eine Vertiefung in das Metallflachprodukt einzuformen, die auch beim fertig hergestellten Metallflachprodukt noch vorhanden ist. Dies kann beispielsweise für solche Anwendungen zweckmäßig sein, bei denen an bestimmten Stellen des aus dem Metallflachprodukt zu erzeugenden Bauteils eine Sollbruch- oder Sollknicklinie erzeugt werden soll. Eine solche Option wird beispielsweise bei bestimmten Bauteilen für den Automobilkarosseriebau benötigt, wenn die betreffenden Bauteile ein bestimmtes Verformungsverhalten im Fall eines Crashs aufweisen sollen. Das Einformen einer solchen Vertiefung kann im Fall, dass der zweite Umformschritt als Kaltwalzschritt ausgeführt wird, während des zweiten Umformschritts beispielsweise durch Verstellen des Walzspaltes oder auch durch Einprägungen bzw. Aussparungen in der mit dem Walzgut in Kontakt kommenden Walzenoberfläche erfolgen. Selbstverständlich ist es genauso möglich, die Vertiefung in einem gesonderten, auf den zweiten Umformschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens folgenden Arbeitsschritt in das Metallflachprodukt einzubringen.
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Durch die nach Art des ”Flexiblen Walzens” erfolgende Verstellung des Walzspalts und die damit einhergehende Variation der im zweiten oder einem darauf folgenden Umformschritt erzielten Umformgrade lassen sich nicht nur gezielt Vertiefungen in das Metallflachprodukt einbringen, sondern auch die Gefügeeigenschaften und damit einhergehend die mechanischen Eigenschaften des Metallflachprodukts feinjustieren.
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Ein üblicherweise sich an die Kaltbandherstellung anschließender Glühschritt zur Homogenisierung oder Rekristallisation des Gefüges, zur Einstellung bestimmter Gefügearten oder zur Ausscheidung bestimmter Phasen kann zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Produktes vorgesehen sein, ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Indem jedoch eine Glühbehandlung am erfindungsgemäß erzeugten Kaltband durchgeführt wird, kann in den zuvor stärker verformten Bereichen ein deutlich verändertes, insbesondere feineres Gefüge erzeugt werden. Gefüge gleicher Art, aber unterschiedlicher Größe und Beschaffenheit weisen grundsätzlich unterschiedliche Eigenschaften auf. Ein feines Gefüge führt beispielsweise aus werkstofftechnischer Sicht zu einer deutlichen Verbesserung der jeweils angestrebten mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise zu einer Erhöhung der Festigkeit, einer Erhöhung der Duktilität oder einer Verbesserung der Schweißbarkeit. Wird nach dem zweiten Umformschritt keine Glühbehandlung des erfindungsgemäß erzeugten Kaltbands durchgeführt, so bleiben die durch die stärkere Umformung verfestigten Gefügebereiche in diesem Zustand.
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Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Metallflachprodukten aus Stahlwerkstoffen, wobei sich hier insbesondere stark verfestigende Stähle eignen. Hierzu zählen Stähle mit austenitischen Gefügebestandteilen, aus denen erfindungsgemäße Produkte besonders vorteilhaft hergestellt werden können. Beispielsweise eignen sich für die erfindungsgemäßen Zwecke die schon erwähnten mikrolegierten Stähle, hochfeste oder dichtereduzierte Leichtbaustähle, Stähle mit hohen Mn-Gehalten (Mn-Gehalt > 4 Gew.-%), Mehrphasenstähle, wie beispielsweise Dualphasenstähle, TRIP-Stähle oder austenitische Edelstähle.
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Ein erfindungsgemäßes Metallflachprodukt, das durch Walzen eines Vorprodukts hergestellt ist und das mindestens eine Oberfläche mit ebener Planlage besitzt, wobei im Gefüge des Metallflachprodukts definiert abgegrenzte Zonen vorhanden sind, in denen sich der Zustand des Gefüges von dem Gefügezustand unterscheidet, der in dem an die jeweilige Zone angrenzenden Bereich des Gefüges vorliegt, zeichnet sich entsprechend den voranstehenden Erläuterungen dadurch aus, dass die Zonen, in denen sich der Zustand des Gefüges von dem Gefügezustand unterscheidet, der in dem an die jeweilige Zone angrenzenden Bereich des Gefüges vorliegt, jeweils vollständig von dem Bereich des Gefüges umgrenzt sind, in dem der unterschiedliche Gefügezustand vorliegt. Durch das verfestigte (Zustand ohne abschließende Wärmebehandlung) oder durch abschließende Wärmebehandlung veränderte Gefüge (Zustand nach der abschließenden Wärmebehandlung) ergibt sich eine Struktur innerhalb des Werkstoffes, die für lokal unterschiedliche Fließeigenschaften sorgt. Diese Struktur ermöglicht durch die lokal angepassten und unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften die Herstellung von an den jeweiligen Verwendungszweck optimal angepassten Flachprodukten.
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Ein besonders hervorzuhebendes Merkmal erfindungsgemäßer Metallflachprodukte besteht dabei darin, dass, wie bereits erwähnt, nach einer Wärmebehandlung das Gefüge in den Zonen, in denen sich der Zustand des Gefüges von dem Gefügezustand unterscheidet, der in dem an die jeweilige Zone angrenzenden Bereich des Gefüges vorliegt, einen anderen Verfestigungszustand aufweist als in den anderen Bereichen, was sich abhängig vom Umformgrad in einer unterschiedlichen Mikrohärte äußert.
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Ein erfindungsgemäßes Metallflachprodukt lässt sich besonders effektiv durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellen.
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Ein besonderer Vorteil gegenüber Metallflachprodukten, die im Zuge eines Kaltformgebungsprozesses mit einer versteifenden Oberflächenstruktur versehen werden, besteht darin, dass erfindungsgemäß die aussteifende Struktur in das Gefüge des Metallflachprodukts hineinverlegt und das Metallflachprodukt so eine ebene Oberfläche besitzen kann. Dies erlaubt es, erfindungsgemäße Metallflachprodukt für Bauteile für Außenhautanwendungen zu verwenden. Zudem zeigen erfindungsgemäße Bleche aufgrund der ebenen Planlage ihrer Oberflächen eine verbesserte Umform-, insbesondere Tiefzieh-, und Schweißeignung, da sie ein dichtes Aneinanderlegen der miteinander zu verschweißenden Metallflachprodukte ermöglichen und so ein gleichmäßiger Schweißspalt gewährleistet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine Anlage zum Erzeugen eines Metallflachprodukts in seitlicher Ansicht;
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2 eine Walze zum Einformen einer Oberflächenstruktur in das Metallflachprodukt in Draufsicht;
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3 einen Ausschnitt eines mit einer Oberflächenstruktur versehenen Metallflachprodukts in Draufsicht auf dessen mit der Oberflächenstruktur versehene Oberfläche;
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4 das Metallflachprodukt gemäß 3 in einem Schnitt entlang der in 3 eingezeichneten Schnittlinie X-X;
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5 das fertige Metallflachprodukt in einer dem Schnitt gemäß 4 entsprechenden Schnittansicht;
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6 einen Ausschnitt des fertigen Metallflachprodukts in einem Schnitt entlang der in 5 eingezeichneten Schnittlinie Y-Y.
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Bei dem in der Anlage 1 verarbeiteten Metallflachprodukt 2 handelt es sich um warmgewalztes Stahlband, das in konventioneller Weise aus einer Stahlschmelze erzeugt wird. Die Stahlschmelze wird dazu zu Blöcken, Vorblöcken, Brammen, Dünnbrammen oder einem gegossenen Band vergossen, die anschließend in hierzu üblicherweise erforderlichen Zwischenschritten in einem konventionellen Warmwalzprozess zu Warmband mit einer Dicke dW von 1–25 mm warmgewalzt werden. Das erhaltene Warmband wird zu einem Coil gehaspelt, durchläuft anschließend einen konventionellen Prozess zur Entfernung von auf ihm haftendem Zunder und wird dann in einer oder mehreren Stufen zu Kaltband mit einer Dicke dK von typischerweise 0,3–5 mm kaltgewalzt. Selbstverständlich können auch hier weitere übliche Arbeitsschritte, wie eine Wärmebehandlung und desgleichen, absolviert werden, die erforderlich sind, um dem Metallflachprodukt 2 die geforderten Eigenschaften zu verleihen.
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Alternativ kann ein Metallflachprodukt durch Prägen der Struktur in ein, wie voranstehend erläutert, konventionell vorproduziertes Vorprodukt erfolgen. Um ein rekristallisiertes Ausgangsgefüge für den Folgeprozess zu gewährleisten, wird dieses nach dem Prägen wärmebehandelt. Danach erfolgt dann das Kaltwalzen in einer oder mehreren Stufen auf die jeweilige Dicke dK von typischerweise 0,3–5 mm.
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In den Herstellungsprozess des Metallflachprodukts 2 eingebunden ist ein erster Umformschritt, der in einem Walzgerüst 3 absolviert wird. Bei dem Walzgerüst 3 kann es sich um das in Förderrichtung F letzte vom Metallflachprodukt passierte Gerüst einer konventionellen, in der Regel sieben Walzgerüste umfassenden, hier nicht weiter gezeigten Warmwalzstaffel handeln.
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Die der oben liegenden Oberfläche 4 des warmgewalzten Metallflachprodukts 2 zugeordnete obere Arbeitswalze 5 des Walzgerüsts 3 ist an ihrer mit der Oberfläche 4 in Kontakt kommenden Umfangsfläche 6 mit einer Wabenstruktur versehen, die aus sechseckigen vorstehenden Plateaus 7 und dazwischen angeordneten, die Plateaus 7 umrandenden nutförmigen Einsenkungen 8 besteht. Die Wabenstruktur ist in an sich bekannter Weise beispielsweise durch eine materialabtragende Bearbeitung, wie beispielsweise Fräsen, in die Umfangsfläche 6 der oberen Arbeitswalze 5 eingeformt worden. Die der an der Unterseite des Metallflachprodukts 2 vorhandenen Oberfläche 9 zugeordnete Arbeitswalze 10 ist dagegen konventionell so ausgebildet, dass sie an der Unterseite 9 des Metallflachprodukts 2 eine planebene Oberfläche erzeugt.
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Im Fall der Einformung der Wabenstruktur durch Fräsen wird ein rotierendes Fräswerkzeug unter Durchführung einer Relativbewegung zwischen Walze und Werkzeug in Eingriff mit der zu bearbeitenden Walzenfläche gebracht, so dass es zum spanenden Materialabtrag kommt. Alternative Verfahren zur Strukturierung der Walzenoberfläche sind Rändeln, Erodieren, Prägen, Lasertexturieren oder Ätzen. Auch kann je nach struktureinbringendem Verfahren eventuell ein nachträglicher Härtevorgang notwendig werden, um die Standzeit der die Oberflächenstrukturierung erhaltenden Walze zu erhöhen und ungewollte Veränderungen der abzuprägenden Struktur durch zu schnellen Verschleiß auf der Walze zu vermeiden.
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Die auf der Arbeitswalze 5 vorhandene Wabenstruktur bildet das Negativ einer in die Oberfläche 4 des Metallflachprodukts 2 einzubringenden Oberflächenstruktur 11.
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Im Zuge des Walzvorgangs im Walzgerüst 3 prägt dementsprechend die obere Arbeitswalze 5 als erster Umformschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Oberfläche 4 des Metallflachprodukts 2 die Oberflächenstruktur 11 ein, die durch in Draufsicht sechseckige, wabenförmige Vertiefungen 12 und die wabenförmigen Vertiefungen 12 umgrenzende rippenförmige Erhebungen 13 gebildet ist. Die bezogen auf die freie Oberseite der Erhebungen 13 gemessene Tiefe T der Vertiefungen 12 entspricht dabei 4–27% der Dicke dW des warmgewalzen Metallflachprodukts 2. Die maximale Ausdehnung dM der wabenförmigen Vertiefungen 12 beträgt 8–11 mm.
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Grundsätzlich kommt für das Grundmuster der Oberflächenstruktur 11 jede Form in Frage. D. h., die Oberflächenstruktur 11 muss nicht notwendig einem auf einem Sechseck aufbauenden Wabenmuster folgen, sondern kann beispielsweise auch ein Muster auf Basis von Raute, Kreis, Ellipse oder Quadrat bilden.
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Nach einem erforderlichenfalls absolvierten Entzundern wird die in die Oberfläche 4 des Metallflachprodukts 2 eingeformte Oberflächenstruktur 11 in einem zweiten Umformschritt durch Kaltwalzen in einem oder mehreren Kaltwalzgerüsten 14 eingeebnet, dessen bzw. deren Arbeitswalzen 15, 16 eben ausgebildet sind, um an dem Metallflachprodukt Oberflächen mit ebener Planlage zu erzeugen. Bei üblicherweise mehreren Gerüsten einer Walzstraße oder -staffel wird durch Kaltwalzen schrittweise, d. h. sukzessive, das durch Kalt- oder Warmwalzen erhaltene Zwischenprodukt zum Endprodukt mit ebener Oberfläche gewalzt.
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Alternativ kann das Ausgangsprodukt vor dem zweiten Umformschritt, d. h. dem einebnenden Kaltwalzschritt, durch Kaltwalzen hergestellt werden. Dann wird in einem Kaltwalzvorgang die Oberflächenstruktur eingeformt. Danach wird durch eine anschließende Wärmebehandlung eine gleichmäßige Gefügestruktur, durch z. B. Rekristallisation, im kaltgewalzten Metallflachprodukt eingestellt. Dann wird in einem Umformschritt durch Kaltwalzen dafür gesorgt, dass die Oberflächenstruktur im Wesentlichen wieder eingeebnet wird.
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Der über den Kaltwalzstich erzielte Verformungsgrad ist so bemessen, dass die rippenförmigen Erhebungen 13 so stark verformt sind, dass sie vollständig verschwunden sind, wogegen es im Bereich der Vertiefungen 12, wenn überhaupt, nur zu einer geringeren Verformung gekommen ist. Das erhaltene kaltgewalzte Metallflachprodukt 2 weist nach dem Kaltwalzen auch an seiner Oberfläche 4 eine ebene Planlage auf.
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Durch die im Zuge des Einebnens dort eingetretene starke Verformung weist das fertig kaltgewalzte Metallflachprodukt 2 in dem Bereich 17 der zuvor dort vorhandenen Erhebungen 13 ein verfestigtes, durch gestrecktes Verfestigungsgefüge gekennzeichnetes Gefüge auf, wogegen in der Zone 18 der zuvor dort vorhandenen Vertiefungen 12 ein unverfestigtes, durch wenig oder gar nicht verfestigte Gefügestruktur gekennzeichnetes Gefüge vorhanden ist. Selbstverständlich existieren, anders als in der schematischen Darstellung der Figuren darstellbar, zwischen dem Bereich 17 und den Zonen 18 Übergangsbereiche 19, in denen eine Mischung aus mehr oder weniger verfestigten Gefügeteilen vorliegt.
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Nach dem durch Kaltwalzen bewirkten Einebnen kann das Metallflachprodukt 2 noch eine Wärmebehandlung bei Temperaturen und einer Dauer durchlaufen, die für eine Homogenisierung oder Rekristallisierung des Gefüges ausreicht. In den rippenförmigen verfestigten Zonen 17 kann dabei ein lokal anderes Gefüge als in den Bereichen 18 entstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlage zum verarbeiten des Metallflachprodukts
- 2
- Metallflachprodukt
- 3
- Warmwalzgerüst
- 4
- obere Oberfläche des warmgewalzten Metallflachprodukts 2
- 5
- obere Arbeitswalze 5 des Walzgerüsts 3
- 6
- Umfangsfläche der Arbeitswalze 5
- 7
- Plateaus
- 8
- nutförmigen Einsenkungen
- 9
- an der Unterseite des Metallflachprodukts 2 vorhandene Oberfläche
- 10
- untere Arbeitswalze des Walzgerüsts 3
- 11
- Oberflächenstruktur
- 12
- Vertiefungen der Oberflächenstruktur 11
- 13
- Erhebungen der Oberflächenstruktur 11
- 14
- Kaltwalzgerüst
- 15
- obere Arbeitswalze des Kaltwalzgerüsts 14
- 16
- untere Arbeitswalze des Kaltwalzgerüsts 14
- 17
- verfestigter Bereich des Gefüges des fertig kaltgewalzten Metallflachprodukts
- 18
- unverfestigte Zone des Gefüges des fertig kaltgewalzten Metallflachprodukts
- 19
- Übergangsbereiche zwischen der Zone 17 und den Bereichen 18
- dK
- Dicke des kaltgewalzten Metallflachprodukts 2
- dM
- mittlerer Durchmesser der Vertiefungen 12
- dW
- Dicke des warmgewalzten Metallflachprodukts 2
- F
- Förderrichtung
- T
- Tiefe der Vertiefungen 12
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10041280 A1 [0009]
- DE 102005025026 B3 [0010]
- DE 102010000292 B4 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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