DE10350885B4

DE10350885B4 - Verfahren zum Herstellen eines warmgeformten und werkzeuggehärteten Formbauteils

Info

Publication number: DE10350885B4
Application number: DE2003150885
Authority: DE
Inventors: Ludger Gehringhoff; Patrick Dr. Reinhold
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2023-11-01
Also published as: DE10350885A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines warmgeformten und werkzeuggehärteten Formbauteils aus einem Stahlband, wobei das Stahlband zunächst durch Abwalzen partiell in der Wanddicke reduziert und danach feueraluminiert wird, wobei anschließend aus dem partiell wanddickenreduzierten und feueraluminierten Stahlband an einer definierten Position eine Platine mit einer definierten Geometrie entnommen und zu dem Formbauteil warmgeformt und werkzeuggehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines warmgeformten und werkzeuggehärteten Formbauteils aus einem Stahlband.
In der Kraftfahrzeugindustrie werden vielfach Sicherheits- und/oder Strukturbauteile aus hochfestem Stahl eingesetzt. Dabei ist es zum einen aus der DE 24 52 486 C2 bekannt, eine einem Coil entnommene Platine aus Stahl auf über AC₃-Temperatur zu erwärmen, warmzuformen und im Umformwerkzeug zu härten. Durch dieses Verfahren erhält man ein Formbauteil mit guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten. Zum anderen müssen viele der so hergestellten Formbauteile zunächst von durch die Wärmebehandlungen entstandenen Oxidschichten gereinigt und anschließend mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen werden, um während des Kraftfahrzeugbetriebs die Dauerhaltbarkeit zu gewährleisten. Das Korrosionsschutzbeschichten warmgeformter und gehärteter Bauteile ist jedoch problematisch. Eine herkömmliche Zinkbeschichtung kann nicht vor dem Warmformen aufgebracht werden, weil ihr Schmelzpunkt deutlich unterhalb der Umformtemperatur des Stahls liegt. Eine nach dem Härten erfolgende Beschichtung darf keine Herabsetzung der eingestellten Festigkeitswerte durch einen wesentlichen Wärmeeintrag verursachen.
Aus der EP 1 013 785 A1 ist es bekannt, ein gewalztes Stahlband, beispielsweise aus einem borlegierten Stahl, zu tauchaltieren, auch feueraluminieren genannt, und so mit einer Aluminiumbeschichtung zu versehen. Anschließend wird das beschichtete Band auf über 700°C erwärmt und warm tiefgezogen. Die Aluminiumbeschichtung bildet dabei mit dem darunter liegenden Stahl eine sogenannte intermetallische Phase aus, wodurch der Schmelzpunkt der Beschichtung derart ansteigt, dass sie das Warmformverfahren übersteht. Die Beschichtung schützt den Stahl so während des Warmformens vor einer Oxidation und Entkohlung. Im Anschluß an den Warmformvorgang wird das Formbauteil mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die über der kriti schen Härtegeschwindigkeit liegt, um hohe mechanische Härteeigenschaften des Stahls und eine hohe Oberflächenhärte der Beschichtung zu erzielen. Die Beschichtung schützt das fertige Formbauteil vor Korrosion. Eine zusätzliche Korrosionsschutzbeschichtung ist nicht mehr nötig.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich die intermetallische Phase zwischen der Beschichtung und dem borlegierten Stahl bereits durch den Wärmeeintrag beim Tauchaltieren oder Feueraluminieren bildet. Die intermetallische Phase liegt daher bereits in dem beschichteten Band vor dem eigentlichen Warmformvorgang vor. Die intermetallische Phase ist jedoch so spröde, dass sie bei jedem Kaltformen reißt. Das beschichtete Band ist daher nur noch warmverformbar, sonst ist der Korrosionsschutz gefährdet und im fertigen Formbauteil nicht mehr genügend gegeben. Bereits die DE 1 252 034 B stellt im übrigen fest, dass ein feueraluminierter Überzug sich zwar warmformen lässt, aber die Kaltformung schlecht aushält.
Ein Kaltformen ist jedoch häufig eine notwendige Verfahrensvoraussetzung zur Erzielung komplexer geometrischer Strukturen, die nicht in einem Zug aus einer Platine warmgeformt werden können. Muss aufgrund der Bauteilgeometrie mehr als ein Umformschritt ausgeführt werden, wird in der Regel kalt vorgeformt, da bei mehreren Warmformschritten der Kontakt mit dem Umformwerkzeug die erwärmte Platine bereits beim ersten Umformschritt unter die erforderliche Umformtemperatur abkühlen und eine Härtung einsetzten würde, die weitere Umformschritte ohne ein Zwischenerwärmen ausschließt. Eine Zwischenerwärmung erhöht jedoch erheblich die Kosten und die gesamte Prozessdauer des Herstellungsverfahrens.
Aus Gründen des Leichtbaus ist es dabei mittlerweile erforderlich, die Wanddicken eines Formbauteils gezielt an die erforderlichen Belastungen anzupassen. Dabei wird das Bauteil nicht mehr über seine gesamte Ausdehnung mit der Wanddicke der am stärksten beanspruchten Stelle versehen. Stattdessen wird die Wanddicke in Bereichen mit geringerer Belastung gezielt reduziert, um Material und Gewicht einzusparen. Aus der DE 197 04 300 A1 ist es beispielsweise bekannt, durch Verformung eines annähernd gleichmäßig dicken Ausgangsmaterials mittels partiell walzender Verformung eine Platine mit in Walzrichtung bereichsweise wechselnden Wanddicken herzustellen. Die Platine ist dann bereits präzise auf die jeweiligen Belastungen und Spannungsspitzen abgestimmt, denen ein aus der Platine gefertigtes Karosserie- oder Fahrwerksbauteil unterliegt. Allerdings gestaltet sich auch bei diesem Verfahren die eingangs erwähnte Korrosionsschutzbeschichtung nach dem Warmformen und Härten eines Formbauteils als schwierig. Ein nachgeschaltetes Feueraluminieren ist wegen eines zu hohen Wärmeeintrags in das Bauteil nicht durchführbar. Bei einer elektrolytischen Beschichtung besteht die Gefahr der Wasserstoffversprödung bei Festigkeiten R_m > 1000 MPa, die bei hochfesten Bauteilen überschritten werden. Eine Zinkflake-Beschichtung ist teuer und bereitet zudem Schweißprobleme.
Die DE 100 48 312 A1 zeigt eine Abstreckvorrichtung zur Herstellung von in der Dicke variierenden Blechplatinen aus einem Stahlblech, wobei die partielle Dickenreduzierung durch Abwalzen erfolgt. Dadurch wird ein gewichtsoptimiertes Bauteil hergestellt. Hierbei fehlt jedoch jeder Hinweis auf einen Korrosionsschutz oder das Einstellen hoher Härtewerte.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten, gewichts- und belastungsoptimierten, warmgeformten und werkzeuggehärteten Formbauteils aufzuzeigen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Demnach wird ein Stahlband vor dem Feueraluminieren durch Abwalzen partiell in der Wanddicke reduziert. Danach erst wird das Stahlband feueraluminiert, wodurch die intermetallische Phase zwischen dem Stahlband und der Aluminiumbeschichtung entsteht. Anschließend wird aus dem partiell wanddickenreduzierten und feueraluminierten Stahlband an einer definierten Position eine Platine mit einer definierten Geometrie entnommen, zu einem Formbauteil warmgeformt und werkzeuggehärtet. Dabei werden in dem so hergestellten Formbauteil definierte Bereiche mit reduzierter Wanddicke gezielt eingestellt. Durch die Feueraluminierung bleibt das Formbauteil auch während der Erwärmung und Härtung zunderfrei. Zudem ist der benötigte Korrosionsschutz bereits gegeben. Um diesen lückenlos zu gestalten, kann das Formbauteil an allen erforderlichen Schnittkanten mit einer Korrosionsschutzschicht nachbeschichtet werden.
Es ist von großer Bedeutung, dass nach dem Feueraluminieren des partiell wanddickenreduzierten Stahlbandes nur Umformvorgänge im erwärmten Zustand an einer aus dem feueraluminierten Stahlband entnommenen Platine durchgeführt werden, um den Korrosionsschutz nicht zu gefährden. Daher ist es auch unbedingt erforderlich, sämtliche dickenreduzierenden Walzvorgänge vor dem Feueraluminieren durchzuführen, da auch diese Walzvorgänge als Kaltformen die Schutzschicht reißen lassen.
Erfindungsgemäß werden damit die Vorteile beider Verfahren verbunden und die Nachteile gleichzeitig vermieden. Das fertige Formbauteil besitzt bereits einen guten Korrosionsschutz. Zudem sind die Wanddicken in dem erforderlichen Umfang den reduzierten Belastungen angepasst. Weiterhin können die Umformvorgänge nach dem Feueraluminieren aufgrund der bereits vorliegenden unterschiedlichen Wanddicken auf das Warmformen beschränkt werden. Das fertige Formbauteil ist ein Produkt mit guter Maßhaltigkeit, hervorragenden Materialeigenschaften und einem guten Korrosionsschutz mit einem optimierten Gewichts-/Leistungsverhältnis.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert. Die Figur zeigt beispielhaft für ein Sicherheits- und/oder Strukturbauteil eine B-Säule 1. Diese B-Säule 1 kann aufgrund der Wanddickenreduzierung nunmehr wie dargestellt einteilig hergestellt werden. Bisher wurde die B-Säule 1 im oberen Trockenbereich 2 der Karosserie beispielsweise aus einer warmgeformten und gehärteten Stahlsorte mit folgender Legierungszusammensetzung, ausgedrückt in Gewichtsprozent, hergestellt:

Kohlenstoff (C)	0,18% bis 0,3%
Silizium (Si)	0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn)	1,0% bis 2,5%
Phosphor (P)	maximal 0,025%
Chrom (Cr)	bis 0,8%
Molybdän (Mo)	bis 0,5%
Schwefel (S)	maximal 0,01%
Titan (Ti)	0,02% bis 0,05%
Bor (B)	0,0015% bis 0,005%
Aluminium (Al)	0,01% bis 0,06%

Der Rest besteht aus Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigun gen. Nach dem Warmformen und Härten stellen sich bei dieser Stahlsorte eine Streckgrenze R_P0,2 ≥ 950 MPa, eine Zugfestigkeit R_m ≥ 1350 MPa und eine Dehnung A₅ ≥ 8% ein. Diese Stahlsorte ließ sich bisher nur mit Zinkflakes einigermaßen befriedigend beschichten, wobei die Haftungseigenschaften der Zinkflake-Beschichtung begrenzt sind. Für die B-Säule 1 wurde sie nur unbeschichtet im Trockenbereich 2 der Karosserie eingesetzt. Im unteren Naßbereich 3 bestand die B-Säule 1 bisher aus einem beidseitig verzinkten, mikrolegierten höherfesten Stahl, der mit dem Trockenbereich 2 der B-Säule 1 gefügt wurde.
Durch den Einsatz eines bereits partiell wanddickenreduzierten und anschließend feueraluminierten Stahlbands der oben genannten Zusammensetzung kann die gesamte B-Säule 1 nunmehr einteilig aus der warmgeformten und gehärteten Stahlsorte des Trockenbereichs 2 hergestellt werden. Durch die Feueraluminierung ist diese borlegierte Stahlsorte nunmehr auch im Naßbereich 3 einsetzbar, zudem entfällt bei der erfindungsgemäß hergestellten B-Säule 1 die Materialdoppelung im Übergangsbereich. Gleichzeitig läßt sich eine Gewichtseinsparung durch die reduzierte Wanddicke im Fußbereich erzielen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines warmgeformten und werkzeuggehärteten Formbauteils aus einem Stahlband, wobei das Stahlband zunächst durch Abwalzen partiell in der Wanddicke reduziert und danach feueraluminiert wird, wobei anschließend aus dem partiell wanddickenreduzierten und feueraluminierten Stahlband an einer definierten Position eine Platine mit einer definierten Geometrie entnommen und zu dem Formbauteil warmgeformt und werkzeuggehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlband ein Stahlband aus einer Stahlsorte verwendet wird, die sich in Gewichtsprozent ausgedrückt zusammensetzt aus Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3% Silizium (Si) 0,1% bis 0,7% Mangan (Mn) 1,0% bis 2,5% Phosphor (P) maximal 0,025% Chrom (Cr) bis 0,8% Molybdän (Mo) bis 0,5% Schwefel (S) maximal 0,01% Titan (Ti) 0,02% bis 0,05% Bor (B) 0,0015% bis 0,005% Aluminium (Al) 0,01% bis 0,06%

wobei der Rest aus Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formbauteil bei einer Verwendung als B-Säule 1 gezielt in deren Fußbereich partiell in der Wanddicke reduziert wird.