DE10300371B3

DE10300371B3 - Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils aus härtbarem Stahl mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität

Info

Publication number: DE10300371B3
Application number: DE10300371A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gosmann
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: US20040134570A1; US7041181B2

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Duktilität aus einem Halbzeug aus härtbarem Stahl mit einem Warmformverfahren und einem Härteprozess. Erfindungsgemäß wird das Formbauteil nach seiner Härtung lokal beschichtet, wobei durch das Beschichtungsverfahren ein lokaler Wärmeeintrag in das Bauteil erfolgt, der die Festigkeitswerte des Formbauteils lokal herabsetzt. Insbesondere lässt sich so eine einteilige B-Säule 1 mit einem feuerverzinkten, relativ duktilen Säulenfuß 2 und einem unbeschichteten, festen oder hochfesten restlichen Bereich 3 herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Formbauteils aus härtbaren Stahl mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität mit einem Warmform- und/oder Härteprozess, bei dem das Bauteil über seine gesamte Länge auf einen einheitlichen Härtewert eingestellt wird.

Es ist bekannt, werkzeuggehärtete Formbauteile für Kraftfahrzeugkomponenten, zum Beispiel Fahrwerkskomponenten wie Lenker oder Querträger oder Strukturbauteile wie Türaufprallträger, B-Säulen, Streben oder Stoßfänger, mit über dem Formbauteil verteilt gleich bleibenden Werkstoffeigenschaften herzustellen. Dies geschieht durch eine komplette Erwärmung der Formbauteile mit einem anschließenden Härten, an das sich für eine Vergütung gegebenenfalls ein Anlassvorgang anschließen kann. In verschiedenen Anwendungsfällen der Kraftfahrzeugtechnik sollen Formbauteile über bestimmte Bereiche eine hohe Festigkeit, über andere Bereiche wiederum eine im Verhältnis dazu höhere Duktilität aufweisen. Neben der Verstärkung durch Zusatzbleche oder dem Zusammenfügen von Teilen unterschiedlicher Festigkeit ist es hierbei auch bereits bekannt, über Wärmebehandlungen ein Bauteil so zu behandeln, dass es lokal Bereiche höherer Festigkeit oder höherer Duktilität aufweist.

So zeigt die DE 197 43 802 C2 ein Verfahren auf, ein Formbauteil für Kraftfahrzeugkomponenten mit Bereichen unterschiedlicher Duktilität herzustellen, indem eine Ausgangsplatine vor oder nach dem Pressen nur partiell erwärmt oder bei einer vorausgegangenen homogenen Erwärmung in den Bereichen mit gewünschter höherer Duktilität gezielt nacherwärmt wird. Vorzugsweise geschieht die partielle Erwärmung induktiv.

Die DE 200 14 361 U1 beschreibt eine B-Säule, die ebenfalls Bereiche unterschiedlicher Festigkeit besitzt. Die Herstellung der B-Säule erfolgt im Warmformprozess, wobei ausgehend von einer Formplatine oder einem vorgeformten Längsprofil dieses in einem Ofen austenitisiert und anschließend in einem gekühlten Werkzeug umgeformt/gehärtet wird. Im Ofen können großflächige Bereiche des Werkstücks gegen die Temperatureinwirkung isoliert werden, wobei in diesen Bereichen die Austenitisierungstemperatur nicht erreicht wird und sich demnach im Werkzeug bei der Härtung kein martensitisches Gefüge einstellt.

Im Anschluß an die Wärmebehandlung wird das Bauteil in den Bereichen, in denen es aus Korrosionsgründen gefordert ist, mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtet. Üblich ist beispielsweise ein Zink-Flake-Beschichtungsverfahren.

Diese Verfahren weisen in Ihrer praktischen Umsetzung in der Massenproduktion jedoch einige Probleme auf. Ein gezieltes Nacherwärmen mittels Induktion stellt einen weiteren Arbeitsschritt dar. Das Isolieren durch Abkapseln im Ofen ist technisch aufwändig, weil in jedem Zyklus jedes einzelne Teil eine eigene Isolierung braucht, die Isolierung als Vorbereitungsprozess den Warmformprozess als ganzen verlängert und sich die Isolierung bei wiederholter Verwendung mit aufheizt. Dies macht eine Massenproduktion kostenintensiv. Zudem ist die nachgeschaltete Zink-Flake-Beschichtung aufwändig. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines beschichteten Formbauteils aus einem härtbaren Stahl mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität dahingehend weiterzuentwickeln, dass sie für die Massenproduktion tauglich ist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Verfahren. Demnach wird das Bauteil nach dem Härteprozeß mittels eines Beschichtungsverfahrens, das durch einen Wärmeeintrag eine Herabsetzung der Festigkeitswerte bewirkt, lokal beschichtet. Durch diese partielle Beschichtung soll nicht nur ein Korrosionsschutz sondern auch eine partielle Festigkeitsherabsetzung erreicht werden. Entscheidend dabei ist der lokale Wärmeeintrag, der mit dem Beschichtungsverfahren verbunden ist. Somit hängt sowohl die Art des Beschichtungsverfahrens als auch die Wärmeeinwirkzeit zur Festigkeitsherabsetzung im Stahl von der jeweiligen Stahlsorte, den zu erzielenden Festigkeitswerten und der gewünschten Korrosionsschutzschicht ab. Geeignete Stahlsorten sind alle härtbaren festen oder höchstfesten Stahlsorten, die durch einen Wärmeeintrag an Festigkeit verlieren können, geeignete Beschichtungsverfahren sind Verfahren, die einen nicht unerheblichen Wärmeeintrag bewirken wie beispielsweise Schmelztauchverfahren. Die Erfindung macht sich genau das zunutze, was sonst bei der Beschichtung von gehärtetem Stahl eigentlich problematisch ist, nämlich die Tatsache, das ein Wärmeeintrag in den gehärteten Stahl zu einem Festigkeitsabfall führen kann. Wenn jedoch die reduzierte Festigkeit genau dort eingestellt werden soll, wo das Bauteil ohnehin beschichtet werden muß, läßt sich gerade mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach und prozesssicher der gewünschte Erfolg erzielen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, dass nunmehr auf aufwändige Verfahren zum partiellen Härten verzichtet werden kann. Das Bauteil aus härtbarem Stahl kann vielmehr über seinen gesamten Bereich auf eine einheitliche Härtetemperatur, beispielsweise in einem üblichen Durchlaufofen, gebracht und anschließend gehärtet werden. Diese Härteverfahren sind bereits in der Massenproduktion erfolgreich eingesetzt. Die Beschichtung wird gezielt nur in den Bereichen des Bauteils aufgebracht, wo sie erforderlich ist und eine Festigkeitsreduzierung im Bauteil entweder unkritisch oder sogar erwünscht ist.

In einer besonderen Ausführungsform wird das Bauteil aus einem höchstfesten Stahl lokal feuerverzinkt. Dazu wird das Bauteil nur teilweise in ein auf 400° – 650° C erwärmtes Bad aus Zink oder einer Zinklegierung eingetaucht. Alternativ kann das Bauteil auch durch teilweises Eintauchen in ein Aluminiumbad, das bevorzugt aus einer AlSi-Legierung besteht, mit einer lokalen Schutzschicht aus Aluminium versehen (feueraluminiert) werden.

Beispielsweise muß eine einteilige B-Säule aus gehärtetem höchstfesten Stahl nur in ihrem unteren Bereich, im sogenannten Naßbereich, aufgrund von Korrosionsschutzanforderungen mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtet werden. Gleichzeitig ist gerade in diesem unteren Bereich ein im Verhältnis zum oberen Bereich der B-Säule duktileres Gefüge erwünscht. Wenn nunmehr erfindungsgemäß nur der Naßbereich der B-Säule mit einem Beschichtungsverfahren beschichtet wird, das durch einen lokalen Wärmeeintrag eine lokale Herabsetzung der Festigkeitswerte bewirkt, erzielt man sowohl die gewünschte Korrosionsschutzschicht als auch die Herabsetzung der Festigkeitswerte im Säulenfuss in einem einzigen Arbeitsschritt.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figur näher beschrieben,
Besonders geeignet für die Herstellung der erfindungsgemäßen B-Säule 1 ist die Verwendung einer Stahlsorte, die in Gewichtsprozent ausgedrückt einen Kohlenstoffanteil C zwischen 0,18 % bis 0,3 %, einen Siliziumanteil Si zwischen 0,1 bis 0,7 %, einen Mangananteil Mn zwischen 1,0 % bis 2,5 %, einem Phophoranteil P von maximal 0,025 %, einen Chromanteil Cr von 0,1 % bis 0,8 %, einen Molybdänanteil Mo zwischen 0,1 % bis 0,5 %, einen Schwefelanteil S von maximal 0,01 %, einen Titananteil Ti zwischen 0,02 % bis 0,05 %, einen Boranteil B zwischen 0,002 % bis 0,005 % und einen Aluminiumanteil Al zwischen 0,01 % bis 0,06 aufweist, wobei der Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen ist. Nicht zwingend, jedoch vorteilhaft kann die Stahllegierung ferner einen Niobanteil Nb zwischen 0,03 % bis 0,05 % aufweisen. Hierdurch wird eine interkristalline Korrosion verhütet und die Warmfestigkeit gesteigert.
Die B-Säule 1 wird warmgeformt und anschließend gehärtet, wodurch sich über ihre gesamte Länge ein überwiegend martensitisches Werkstoffgefüge mit einer Zugfestigkeit von über 1400 N/mm² einstellt. Sodann wird die B-Säule 1 mit ihrem Fuß 2 im Nassbereich 2 bei etwa 450° C feuerverzinkt. Die B-Säule 1 verfügt sodann über ein hochfestes Gefüge in ihrem oberen Bereich 3 mit Zugefestigkeitswerten von über 1400 N/mm² und über einen duktileren Fuss 2 mit Zugfestigkeiten von etwa 1100 N/mm². Je nach Bedarf kann die B-Säule 1 mit ihrem Fuß 2 auch bei etwa 620° C feuerverzinkt werden. Aufgrund des größeren Wärmeeintrags stellt sich im Fuß 2 der B-Säule 1 dann eine Zugfestigkeit um die 820 N/mm² ein. Alternativ kann die B-Säule 1 im Bereich des Fusses 2 auch bei etwa 620° C feueraluminiert werden, die Zugfestigkeit im Fuss 2 liegt dann ebenfalls bei etwa 820 N/mm². Mit allen genannten Beschichtungsvarianten kann eine Erhöhung der Bruchdehnung im Bereich 2 der B-Säule 1 auf bis zu 20 % erzielt werden.
Im Crashfall stellt sich die bekannte vorteilhafte Bauteildeformation in einem für den Insassen günstigeren Bereich 2 der B-Säule 1 ein. Zudem besitzt die B-Säule 1 gute Korrosionsschutzeigenschaften im kritischen Nassbereich 2 des Fahrzeugs.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Formbauteils aus härtbarem Stahl mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität mit einem Warmform- und/oder einem Härteprozess, bei dem das Bauteil über seine gesamte Länge auf einen einheitlichen Härtewert eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Härteprozeß mittels eines Beschichtungsverfahrens, das durch einen Wärmeeintrag eine Herabsetzung der Festigkeitswerte bewirkt, lokal beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mittels eines Feuerverzinkens lokal beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mittels eines Feueraluminierens lokal beschichtet wird.
Einteilige B-Säule 1 aus einem härtbaren Stahl mit einem relativ duktilen Gefüge im Säulenfuß 2 und einem festen oder hochfesten Gefüge über ihre restliche Länge 3, dadurch gekennzeichnet, dass die B-Säule 1 im Bereich des duktilen Fußes 2 mittels eines Beschichtungsverfahrens, das einen festigkeitsmindernden Wärmeeintrag bewirkt, beschichtet ist.
Einteilige B-Säule 1 nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die B-Säule 1 im Bereich des duktilen Fußes 2 feuerverzinkt oder feueraluminiert ist.