DE202012000616U1

DE202012000616U1 - Struktur- und/oder Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug mit verbesserten Crasheigenschaften und Korrosionsschutz

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Publication number: DE202012000616U1
Application number: DE201220000616
Authority: DE
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2022-01-25

Abstract

Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einem vorbeschichteten Blechplatinenzuschnitt durch Warmformen und Presshärten, wobei das Struktur- und Karosseriebauteil (1) nach dem Presshärten mindestens zwei Gefügebereiche (2, 3) unterschiedlicher Festigkeit und/oder unterschiedlicher Duktilität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich (3) ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge aufweist, und gegenüber dem ersten Bereich (3) ein mit geringerer Festigkeit und/oder höherer Duktilität versehener zweiter Bereich (2) ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Struktur- und/oder Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug mit verbesserten Crasheigenschaften und Korrosionsschutz, hergestellt durch Warmformen und Presshärten gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Im Kraftfahrzeugbau steigt aufgrund gesetzlicher und herstellerspezifischer Vorgaben das Anforderungsprofil an die Fahrzeugsicherheit. Gleichzeitig sind die Kraftfahrzeughersteller bestrebt, die Kraftfahrzeugkarosserien im Zuge einer Minimierung des Kraftstoffverbrauchs sowie des CO2 Ausstoßes im Eigengewicht zu senken. Dies stellt eine Diskrepanz zwischen niedrigem Eigengewicht sowie hoher Biege und Torsionssteifigkeit und hoher Crashsicherheit dar.
Ein Weg ist beispielsweise der Einsatz von Leichtmetallwerkstoffen, insbesondere von Aluminiumlegierungen, oder aber Karosserien in Hybridbauweise, beispielsweise aus metallischen Legierungen sowie Faserverbundwerkstoffen oder aber Kunststoffen. Beide zuvor genannten Varianten bedingen jedoch jeweils hohe Materialkosten, was wiederum Produktionskosten gerade von Volumenmodellen im Kraftfahrzeugbau hochtreibt.
Nach wie vor ist jedoch eine metallische Legierung, insbesondere Stahlwerkstoff, der bevorzugte Werkstoff für den Karosseriebau, insbesondere den Rohkarosseriebau. Durch konsequente Weiterentwicklung gilt der Stahlwerkstoff heutzutage weiterhin als Hightech Material, welcher durch verschiedenste Verfahrensmöglichkeiten einen guten Kompromiss zwischen günstiger Produzierbarkeit, guter Crashsicherheit und Langlebigkeit bildet.
Eine Wärmbehandlung findet gemäß dem Stand der Technik üblicherweise in einem Temperaturbereich zwischen 820 Grad Celsius und 1000 Grad Celsius statt und verändert die im Warmform- und Presshärteprozess eingestellten Werkstoffeigenschaften mit ihren Festigkeitswerten kaum. Gleichzeitig wird jedoch die Duktilität des Werkstoffs derart erhöht, dass im Crashfall eine gute Faltenbildung möglich ist. Die zusätzliche Wärmenachbehandlung bedingt jedoch wiederum einen höheren Produktionskostenaufwand.
Nachteilig bei zuvor genannten Stand der Technik ist zudem, dass die Wärmebehandlung unter Schutzgas erfolgen muss, und die Bauteile nachträglich von einer Weiterverarbeitung aufwändig gestrahlt werden müssen, und für den Transport zum Karosseriemontagewerk zusätzlich vor Korrosion geschützt werden müssen durch Einölen oder Beschichten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Struktur- und Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, dass gegenüber dem Stand der Technik geringere Herstellungskosten aufweist, bei gleichzeitiger zielgenauer Einstellung von Bauteileigenschaften für ein verbessertes Crash- und Korrosionsverhalten.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind den Merkmalen der Unteransprüche zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird ein Struktur- und/oder Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches durch Warmformen und Presshärten eine mit einer Beschichtung versehendem Blechplatinenzuschnitt hergestellt ist, wobei das Struktur- und Karosseriebauteil nach dem Presshärten mindestens zwei Gefügebereiche unterschiedlicher Festigkeit und/oder unterschiedlicher Duktilität aufweist. Kennzeichnend dabei ist, dass ein erster Bereich des Bauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge aufweist, und gegenüber dem ersten Bereich ein mit geringerer Festigkeit und/oder höherer Duktilität versehener zweiter Bereich ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge aufweist. Dadurch wird erreicht, dass das Bauteil bereichsweise für individuelle Belastungen, insbesondere Crashbelastungen ausgelegt werden kann, ohne diese einerseits überzudimensionieren und andererseits zu leicht auszuführen. So weisen duktiler Bereiche von Bauteilen im Fahrzeugbau mit einer Streckgrenze von beispielsweise 300 bis 500 N/mm² positive Eigenschaften im Hinblick auf Deformationsverhalten, Rissneigung sowie Nachbearbeitbarkeit auf.
Dabei kann der erste Bereich nach dem Presshärten neben Martensit weitere Gefügebestandteile neben Martensit weitere Gefügebestandteile mit weniger als 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise weniger als 30 Gew.-% und insbesondere weniger als 15 Gewichtsprozent Gew.-% aufweisen. Martensit als wichtigster Gefügebestandteil im ersten Bereich des Bauteils sorgt dabei für die hohe Festigkeit, Streckgrenze und Härte. Mit steigendem Anteil weiterer Gefügebestandteile sinken also diese Kennwerte ab.
Bevorzugt sind nach dem Pressharten als weitere Gefügebestandteile des ersten Bereichs Bainit und/oder Ferrit vorhanden. Ausgehend von einem vollständig martensitischen Gefüge werden Festigkeiten von mehr als 1300 N/mm² im Serieneinsatz reproduzierbar erreicht, während ein Anteil von nur 70 Gew.-% Martensit und 30 Gew.-% Bainit und Ferrit zu einer Festigkeit im Bereich von 1000 bis 1200 MPa führt.
Besonders bevorzugt besitzt nach dem Presshärten der erste Bereich eine Festigkeit von mehr als 1100 N/mm², vorzugsweise von mehr als 1300 N/mm². Dadurch kann eine sehr geringe Materialstärke gewählt werden, und trotzdem eine hohe ausreichende Steifigkeit des crashbelasteten Bauteils sichergestellt werden. Eine Intrusion des Bauteils oder eines Unfallobjektes in den Fahrzeuginnenraum, insbesondere in die Fahrgastzelle wird so weitestgehend verhindert, und das Fahrzeuggewicht sowie die Energie- bzw. Kraftstoffverbrauch und Emissionen reduziert.
Erfindungsgemäß können auch im zweiten Bereich nach dem Presshärten neben Bainit weitere Gefügebestandteile mit weniger als 50%, vorzugsweise mit weniger als 30%, insbesondere mit weniger als 15% und ganz insbesondere mit weniger als 5% vorhanden sein. So sind nach dem Presshärten neben Bainit als weitere Gefügebestandteile Restaustenit und/oder Ferrit und/oder Perlit vorhanden. Die weiteren Bestandteile erhöhen die Festigkeit und verringern die Duktilität im zweiten Bereich. So weist ein erfindungsgemäßes Bauteil in einem zweiten Bereich bei einem Gefügeanteil von 80 Gew.-% Bainit, 20 Gew.-% Restaustenit und Ferrit eine Festigkeit von ca. 450 bis 550 N/mm² bei einer Duktilität A50 von ca. 12% auf.
Im Rahmen der Erfindung hat das Struktur- und/oder Karosseriebauteil nach dem Presshärten in einem zweiten Bereich eine Streckgrenze zwischen 250 und 800 N/mm², bevorzugt zwischen 300 und 500 N/mm², wobei unterschiedliche zweite Bereiche ausgebildet sein können mit verschiedener Streckgrenze. Beispielsweise kann ein zweiter Bereich am Rand des Bauteils oder um einen Durchzug herum mit eine Streckgrenze von 500 N/mm² ausgebildet sein und weitere zweite Bereich, die Öffnungen oder Abkantungen aufweisen und eine Streckgrenze von nur 350 N/mm³ aufweisen. So ist es im Rahmen der Erfindung möglich, einen zweiten Bereich derart zu gestalten, dass dieser nach dem Presshärten eine Zugfestigkeit zwischen 500 und 1000 N/mm², bevorzugt zwischen 550 und 800 N/mm² aufweist.
Bevorzugt weist das Bauteil nach dem Presshärten einen zweiten Bereich mit einer Dehngrenze A5O zwischen 10% und 30%, vorzugsweise zwischen 12% und 20% und insbesondere zwischen 12% und 16% auf. Durch Einstellung der Prozessparameter, insbesondere der Erwärmungstemperatur, der Abkühlstarttemperatur und der Abkühlgeschwindigkeit Isst sich das Gefüge einstellen, wobei diese Parameter lokal unterschiedlich eingestellt werden, um die ersten und verschiedene zweiten Bereiche im Gefüge zu erzeugen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Bauteil wenigstens einen zweiten Bereich auf, der punktuell ausgebildet ist, vorzugsweise mit einem Durchmesser von weniger als 40 mm, insbesondere weniger als 20 mm und besonders bevorzugt weniger als 10 mm. Ein solcher zweiter Bereich kann in der Praxis dazu dienen, am Bauteil nach dem Presshärten des Bauteils Öffnung einzubringen oder diese Öffnungen Umzustellen, beispielsweise in Form eines Durchzuges. Der Durchzug selbst kann beispielsweise kragenartig als Lochrandumstellung ausgebildet werden und verhindert sonst häufig am Lochrand vorkommende Mikrorisse, oder Korrosionsnester, welche sich dynamisch über die Bauteillebensdauer ausbreiten.
Natürlich kann auch anstelle eines runden punktuellen Bereichs ein eckiger, insbesondere rechteckiger Bereich derart duktiler ausgebildet sein, beispielsweise auch um Kabeldurchführungen oder Montagezugangsöffnungen realisieren zu können.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass wenigstens ein zweiter Bereich nur partiell vom ersten Bereich umgeben ist, insbesondere im Rand des Struktur- und/oder Karosseriebauteils. Das hat den Vorteil, dass der Rand, der nach dem Presshärten noch zu schneiden ist, leichter zu entfernen ist bzw. ein geringeren Schneidwiderstand und damit niedrigeren Werkzeugverschleiß und Stanzkraft erfordert. Zudem wird in der Praxis die Bildung von Korrosionsnestern an hartgeschnittenen Bereichen des Bauteils verhindert.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Bereichen dort ausgebildet, wo dass Struktur- und/oder Karosseriebauteil im Crashfall besonders starken Deformationen unterworfen ist und/oder durch Deformationen Crashenergie abgebaut werden soll. Dies kann beispielsweise bei einem axial Kraft absorbierenden Bauteil, welches beim Crash durch gezielte Stauchung bzw. Faltung Energie abbauen soll, derart geschehen, dass lokal entlang der gewünschten späteren Faltung und im Wesentlichen senkrecht zur Krafteinleitungsrichtung mehrere zweite Bereiche linienförmig angeordnet sind, die als Sollfaltzonen dienen.
Bei einer Fahrzeug B-Säule dagegen wird der zweite Bereich vorteilhaft im unteren Drittel der Säule Anwendung finden, da dieser Bereich weniger für die Kraftübertragung als vielmehr für die Verbindung und den Energieabbau bei einem Seitenaufprall funktional verantwortlich ist. Gleichzeitig ist der Bereich am stärksten rissgefährdet, was durch die erhöhte Duktilität nahezu ausgeschlossen wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der zweite Bereich eine erhöhte Wanddicke gegenüber dem ersten Bereich auf. Dies kann dann notwendig und sinnvoll sein, wenn gleichzeitig eine hohe Bauteilfestigkeit und eine hohe Duktilität erforderlich werden, beispielsweise bei Struktur- und/oder Karosseriebauteil, die zudem einer Schutzfunktion gegen Beschuss und/oder Ansprengung dienen. Der weiche zweite Bereich wird damit bezüglich seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber derlei Beanspruchung durch eine höhere Materialstärke ausgeglichen, während die Vorteile erhalten bleiben. Besonders Vorteilhaft hat es sich erwiesen, zur Herstellung des Struktur- und/oder Karosseriebautells eine Blechplatine mit einem im Querschnitt variablem Bleckstärkenverlauf, insbesondere Tailor Welded Blank oder ein Tailor Rolled Blank zu verwenden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Möglichkeit, ein Struktur- und Karosseriebauteil bereitzustellen, welches als Patchwork ausgebildet ist und wenigstens ein Verstärkungsblech umfasst, welches mit dem Struktur- und Karosseriebauteil wenigstens abschnittsweise verbunden ist. Die Verbindung kann dabei bereits vor einem gemeinsamen Umformen von Blechplatinenzuschnitt und Verstärkungsblech hergestellt sein, es ist aber auch vorstellbar, die Teile nach dem Umformen wieder zu trennen und erst danach endgültig zu Verbinden, um beispielsweise eine wenigstens abschnittsweise Abdicht- und/oder Klebeschicht herzustellen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Grundwerkstoff des Struktur- und/oder Karosseriebauteil um eine härtbare Stahllegierung, welche in Gewichtsprozent aus folgenden Legierungsbestandteilen besteht:
C: 0,19–0,27%
Mn: 1,10–1,45%
Si: 0,17–0,35%
P: max. 0,03%
S: max. 0,006%
Al: 0,02–0,06%
Ti: 0,02–0,06%
Cr: 0,10–0,25%
B: 0,002–0,004%
Mo: max. 0,12%
Cu: max. 0,15%
Ni: max. 0,12%
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Alternativ ist es aber auch möglich, die folgende Stahl-Legierungszusammensetzung als Ausgangsmaterial zu verwenden (in Gewichtsprozent):
C: 0.19–0.22%
Cr: 1.30–1.50%
Si: 1.0–2.0%
Mn: 0.65–0.80%
B: 0.002–0.003%
Nb: 0.02–0.04%
P: max. 0.015%
S: max. 0.010%
Al: max. 0.010%
Ti: max. 0.010%
Mo: max. 0.08%
Cu: max. 0.20%
Ni: max. 0.20%,
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft die metallische Vorbeschichtung des Ausgangsmaterials für das erfindungsgemäße Struktur- und/oder Karosseriebauteil.
In einer ersten Ausführungsform handelt es sich um eine Schicht im Wesentlichen bestehend aus Zink, welche direkt auf dem Grundwerkstoff ausgebildet ist. Durch das Warmformen und Presshärten, insbesondere durch die vor dem Umformen erforderliche Wärmebehandlung, verändert sich die Gestalt der Beschichtung dahingehend, dass Diffusions- und oberflächliche Oxidationsprozesse ablaufen, die dazu führen, dass am fertigen Bauteil ein Mehrschichtaufbau ausgebildet ist. Zwischen Grundwerkstoff und Zinkschicht entsteht eine intermetallische Schicht, während eine Zinkoxidschicht auf der Oberfläche der Zinkschicht ausgebildet ist. Die intermetallische Schicht wird gebildet durch die Diffusion von Zinkatomen in die Matrix des Grundwerkstoffs und von Eisen in die Zinkschicht hinein. Je größer die Temperatur dabei ist, umso stärker die Interdiffusion und damit die Schichtdicke dieser Legierungssschicht. Ein optimaler Entkohlungs- und Korrosionsschutz kann dadurch erreicht werden.
In einer zweiten Ausführungsform handelt es sich bei der metallischen Vorbeschichtung um eine Schicht im Wesentlichen aus Aluminium sowie Anteilen an Silizium von nicht mehr als 15% und nicht weniger als 3% und weiteren Elementen mit einem Gesamtanteil von weniger als 5%. Durch die geringe Beimengung von Silizium ergeben sich ein für den Beschichtungsprozess vorteilhafter niedrigerer Schmelzpunkt und eine Verringerung des Abriebs beim Handling der Blechplatinenzuschnitt und bei der Warmumformung.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die metallische Vorbeschichtung des Struktur- und/oder Karosseriebauteil mehrschichtig ausgebildet, und umfasst eine Grundschicht und eine Deckschicht. Bevorzugt enthält die Grundschicht wenigstens 30% Aluminium und wenigstens 20% Eisen und wenigstens 3% Silizium und höchstens 30% Zink, die Deckschicht weist wenigstens 60% Zink, wenigstens 5% Aluminium und maximal 10% Eisen auf. Damit wird eine noch bessere Korrosionsschutzwirkung erzielt, und die Gefahr einer Mikrorissbildung infolge der Diffusion von Zink aus der Beschichtung in den Grundwerkstoff insbesondere an Beschnittkanten wird reduziert. Die Schichtdicke der Deckschicht ist bevorzugt größer als die der Grundschicht, bevorzugt mehr als 60% der Gesamtschichtdicke.
Die metallische Vorbeschichtung der beschriebenen Ausführungsformen weist insgesamt eine Dicke zwischen 5 und 45 μm auf beiden Seiten auf. Aus wirtschaftlichen Erwägungen hat sich besonders bevorzugt eine Dicke von nicht mehr als 33 μm als sinnvoll erwiesen.
Die Erfindung und ihre Ausführungsformen werden folgend anhand von Figuren näher erläutern.
1 zeigt einen Flächenausschnitt einer erfindungsgemäßes Struktur- und/oder Karosseriebauteil mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereichen;
2 zeigt eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugsäule;
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Stoßfängerquerträger;
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Querträger;
5 zeigt ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm (ZTU) für eine Stahllegierung und
6 bis 8 zeigt Ausführungsformen der Vorbeschichtung des erfindungsgemäßen Bauteils
1 stellt einen Ausschnitt eines Struktur- oder Karosseriebauteils 1 dar. Hierbei ist umliegend zu erkennen, dass in einem ersten Bereich 3 ein zweiter Bereich 2 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Zwischen dem zweiten Bereich 2 und dem ersten Bereich 3 ist ein Übergangsbereich 4 angeordnet. In dem zweiten Bereich 2 ist ein tendenziell duktiles Werkstoffgefüge hergestellt, in dem ersten Bereich 3 ein hartes Werkstoffgefüge. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist der Übergangsbereich 4 im Wesentlichen einen Breite a auf, die in Relation zu dem weichen Bereichs 2 besonders klein ausfällt. Dadurch wird ein besonders hohes Maß an belastungsgerechter Bauteilauslegung erreicht.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Struktur- oder Karosseriebauteil 1, ausgebildet als Kraftfahrzeugsäule in Form einer A-Säule 5 einer hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugkarosserie. Die A-Säule 5 weist an ihren jeweiligen Seiten 5a, 5b Fügeflansche 6 auf, die eine höhere Duktilität besitzen gegenüber einem mittleren Profilteil 7. Die A-Säule 5 hat demnach durch ihren mittleren Profilteil 7 eine hohe Festigkeit und Härte, die im Crashfall den Schutz eines Fahrgastraumes garantiert und in ihren Fügeflanschen 6 gegenüber dem mittleren Profilteil eine eher duktile Werkstoffeigenschaft, so dass an den Fügeflanschen 6 angebundene Komponenten, die hier nicht näher dargestellt sind, mit der A-Säule 5 verbunden bleiben und kein Abreißen in den Verbindungsstellen, gekennzeichnet durch die Fügeflansche 6, geschieht. Zudem weist die A-Säule 5 einen weiteren zweiten Bereich auf, in dessen Mitte sich ein Durchzug 13 erstreckt.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Struktur- und Karosseriebauteil 1, ausgebildet als Stoßfängerquerträger einer hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugkarosserie. Der Stoßfängerquerträger weist dazu Anbindungsbereiche 11 auf, an die jeweils eine Crashbox 10 gekoppelt ist. Die Anbindungsbereiche 11 selber sind dabei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte zweite Bereiche 2. Der Stoßfängerquerträger weist weiterhin einen Mittelteil 12 auf, wobei in dem Mittelteil 12 eine Versteifungssicke 8 ausgebildet ist. Weiterhin weist der Stoßfängerquerträger in Randbereichen Flansche 9 auf, wobei die Flansche 9 ebenfalls erfindungsgemäß zweite Bereiche 2 mit einem tendenziell duktilen Werkstoffgefüge sind. Die Versteifungssicke 8 selber sowie das umliegende Material des Stoßfängerquerträgers ist dabei als erster Bereich 3 mit einem ersten Werkstoffgefüge ausgebildet.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Struktur- und Karosseriebauteil 1, ausgebildet als Sitzquerträger. Der Sitzquerträger ist in seiner Längsausrichtung 14 quer zur Fahrrichtung eines Fahrzeugs angebracht und weist Sicken 16, Ausnehmungen 17 und auch Fügeflansche 15 auf. Bei den Ausnehmungen 17 handelt es sich vorrangig um Durchführungslöcher zur Befestigung von nicht näher dargestellten Sitzschienen. Es können aber auch einzelne Komponenten durch die Ausnehmungen 17 geführt sein. Beispielsweise handelt es sich bei diesen hier nicht näher dargestellten Komponenten um einen Kabelbaum oder aber auch um Aktuatoren zur Verstellung eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugsitzes. Die Randbereiche R der Ausnehmungen 17 sind wiederum als zweiter Bereiche 2 mit einem tendenziell eher duktilen Werkstoffgefüge ausgebildet, wohingegen der Rest des Sitzquerträgers als erster Bereich 3 mit einem eher harten Werkstoffgefüge ausgebildet ist.
In der 5 ist ein Zeit-Temperatur-Umwandlungschaubild eines exemplarischen Stahls dargestellt, der den Bereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt. Es sind die verschiedenen Gefügestrukturen eingezeichnet, die sich bei Abkühlgeschwindigkeiten über die Temperatur bei dem Werkstoff einstellen. Im unteren Bildbereich ist die Martensitbildung gezeigt. Darüber, im mittleren Bildbereich, die Bainitbildung und wiederum darüber die Perlit- bzw. Ferritbildung. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei verschiedene Kurvenverläufe für verschiedene Abkühlprozesse gezeigt. Kurve V1 zeigt den Temperaturverlauf für einen erfindungsgemäßen zweiten Bereich, wobei die Blechplatine im zweiten Bereich zunächst auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur AC3 erhitzt ist. Von dieser Temperatur wird auf eine Zwischentemperatur auf ca. 520°C abgekühlt mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die in diesem Falle größer ist, als die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit oK für die Bainitbildung des hier gezeigten Werkstoffes. Bei Erreichen der Abkühlungstemperatur der Zwischen Kühlung von ca. 520°C wird der erste Bereich auf einer Temperatur für den Zeitraum t1 im Wesentlichen isotherm gehalten. Die Temperatur fällt dabei aufgrund von Wärmeabgang durch beispielsweise Wärmestrahlung, Konvektion oder aber auch Wärmeleitung von ca. 520°C auf ca. 480°C. Es stellt sich somit beim Zeitpunkt P1 der Zwischenkühlung ein austenitisches Gefüge ein und zum Zeitpunkt P1, dem Beginn des Presshärtens, ein bainitisch-austenitisches Mischgefüge. Im weiteren Verlauf wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel vom Zeitpunkt P1 aus derart durch den Presshärtevorgang abgeschreckt, dass das bainitisch-austenitische Mischgefüge im zweiten Bereich in ein bainitisch-martensitisches Mischgefüge umgewandelt wird. Parallel hierzu wird der erfindungsgemäß erste Bereich von einer Temperatur oberhalb von AC3 durch Presshärten abgeschreckt, sodass hier direkt aus einem austenitischen Gefüge ein martensitisches Gefüge entsteht, was hier der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht näher dargestellt ist.
Eine zweite Ausführungsmöglichkeit ist mit dem Abkühlverlauf gemäß Kurve V2 des zweiten Bereiches dargestellt. Der Abkühlverlauf der Kurve V2 folgt analog dem Abkühlverlauf der Kurve V1, wobei von einem Zeitpunkt Z2 (gleich Z1) die Abkühltemperatur langer gehalten wird, sodass der Presshärtevorgang zu einem Zeitpunkt P2 beginnt. Folglich ist die Zeitspanne t2 größer als t1. Das Gefüge im zweiten Bereich hat sich zur Zeitpunkt P2 vollständig in Bainit umgewandelt und erfährt somit durch die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Zeitpunkt P2 keine weitere Gefügeumwandlung mehr. Im dritten Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Struktur- und Karosseriebauteils wird eine Abkühlgeschwindigkeit von einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur gemäß Kurve V3 gewählt, sodass direkt in das bainitische Zwischengefüge beim Abkühlvorgang der Zwischenkühlung umgewandelt wird. Hierbei wurde in dem zweiten Bereich ein austenitisch-bainitisches Zwischengefüge eingestellt, so dass bei Einsetzen des Presshärtevorganges zum Zeitpunkt P3 dieses bainitisch-austenitische Mischgefüge in ein bainitisch-martensitisches Mischgefüge im zweiten Bereich umgewandelt wird. Bei Beispielen zur Ausführung gemäß Kurve V2 und V3 wird jeweils der erste Bereich, der während der Zwischenkühlung oberhalb der AC3-Temperatur gehalten ist, durch eine Abkühlung während des Presshärtevorganges vom austenitischen Bereich direkt in Martensit umgewandelt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Kurve V3 wird die Geschwindigkeit erfindungsgemäß immer größer der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit uK des jeweilig eingesetzten Werkstoffes gewählt.
Im Rahmen der Erfindung können auch geringe Anteile an weiteren Gefügebestandteilen im fertigen Bauteil vorhanden sein, welche dadurch entstehen, dass der Abkühlverlauf die Grenzen der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit verlässt und damit kurzzeitig den Ferrit- und/oder Perlitbereich durchschreitet, so dass sich geringe Anteile davon im Gefüge des zweiten Bereichs des Bauteils befinden. In der Praxis lässt sich dass dadurch realisieren, dass die rasche Abkühlung im Werkzeug verlangsamt oder verzögert wird, durch nur partiellen Werkzeugkontakt oder partiell beheizte und gekühlte Werkzeuge oder auch durch unterschiedliche Werkzeugwerkstoffe mit Zonen verschiedener Wärmeleitfähigkeit. Möglich ist auch, dass ein exaktes isothermes Halten im Bainitgebiet nicht erwünscht oder beispielsweise bei bestimmten Bauteilgeometrien nicht möglich ist. Dies kann ebenfalls abhängig von der eingestellten Haltetemperatur dazu führen, dass als weitere Gefügebestandteile im zweiten Bereich geringe Anteile Martensit oder Ferrit und/oder Perlit auftreten.
In den 6a bzw. 6b ist die metallische Vorbeschichtung in der Schichtfolge Grundwerkstoff 21 und Beschichtung am Ausgangsmaterial bzw. am warmgeformten und pressgehärteten Gefüge vereinfacht dargestellt. Auf dem Grundwerkstoff 21 befindet sich im Ausgangszustand eine Deckschicht 19 aus einer Aluminiumlegierung mit Siliziumbestandteilen der Schichtdicke d1. Die Al/Si-Schicht enthält Silizium in einem Gewichtsanteil von nicht mehr als 15% und nicht weniger als 3% und kann weitere Bestandteile, insbesondere Zink enthalten. Sie ist zwischen 5 und 45 μm, bevorzugt kleiner 30 μm stark. Je nach Beschichtungsprozess kann der Blechplatinenzuschnitt bereits eine sehr dünne intermetallische Schicht Al/Si/Fe 22 aufweisen, mit einer Dicke von wenigen Mikrometern.
Während der Wärmebehandlung bildet sich eine dünne Aluminiumoxidschicht 25 an der Oberfläche der Vorbeschichtung, die jedoch keinen negativen Einfluss auf die Warmumformung oder anschließende Weiterbearbeitungsschritte hat. Nach der Wärmebehandlung zum Warmformen und Presshärten ist eine intermetallische Al/Si/Fe-Schicht 22 bzw. Phase durch die Diffusionsprozesse zwischen Eisen des Grundwerkstoffs und Al/Si der Beschichtung ausgebildet, die die Schichtdicke d2 aufweist und im Wesentlichen der Schichtdicke d1 entspricht. Vorteil der Al/Si-Beschichtung ist es, dass zum einen eine Verzunderung und eine Entkohlung der Platine bei der Erwärmung verhindert werden und damit ein Beizen oder ein Phosphatieren vor einer nachgelagerten Endbeschichtung des fertigen Bauteils bzw. der Fahrzeugkarosse unnötig ist. Zum anderen lässt eine derartige Beschichtung übliche Schweißverfahren zu.
In 7a bzw. 7b ist die metallische Vorbeschichtung am Ausgangsmaterial bzw. am warmgeformten und pressgehärteten Gefüge in der Schichtfolge Grundwerkstoff 21 und Beschichtung vereinfacht dargestellt. Auf dem Grundwerkstoff 21 befindet sich im Ausgangszustand eine Deckschicht 19 aus Zink der Schichtdicke d. Diese Schicht kann weitere Bestandteile enthalten und ist zwischen 7 und 45 μm, bevorzugt kleiner 30 μm dick. Während der Wärmebehandlung diffundiert das Eisen teilweise aus dem Grundwerkstoff 21 in die Zinkschicht ein, so dass sich eine intermetallischer Fe/Zn-Schicht 24 einstellt. Die intermetallische Schicht 24 ist umso größer, je länger die Wärmebehandlung dauert und je höher die Temperatur dabei ist. Vorteilhafterweise entspricht die Schichtdicke d2 des Bauteils wenigstens die Hälfte der ursprünglichen Schichtdicke d1 der Deckschicht. Wichtig ist es aber, die Temperatur der Platine relativ langsam zu steigern, so dass ein teilweises Verdampfen des Zink aus der Zinkschicht heraus vermieden wird, bevor sich eine gewollte Zinkoxidhaut 26 ausbildet und ein Verdampfen auch bei Temperaturen oberhalb der Verdampfungstemperatur der Beschichtung verhindert.
In 8a bzw. 8b ist die metallische Vorbeschichtung in der Schichtfolge Grundwerkstoff 21, Grundschicht 18 und Deckschicht 19 am Ausgangsmaterial bzw. am warmgeformten und pressgehärteten Gefüge vereinfacht dargestellt. Auf dem Grundwerkstoff 21 befindet sich im Ausgangszustand eine relativ dünne Al/Si-Schicht und darauf wiederum eine Zinkschicht. Beide Schichten können weitere Bestandteile enthalten und sind zusammen zwischen 7 und 45 μm, bevorzugt kleiner 30 μm dick (d1). Während der Wärmebehandlung diffundiert das Al/Si partiell in den Grundwerkstoff 21 hinein, so dass sich eine dünne intermetallischer Al/Si/Fe-Schicht 22 einstellt. Zwischen Zinkschicht und Al/Si-Schicht wiederum finden ebenso Diffusionsprozesse statt, wodurch eine intermetallische Al/Si/Zn-Schicht 23 entsteht. Auf der Oberfläche der Zinkschicht bildet sich bei der Erwärmung eine Zinkoxidhaut 26, welche die Beschichtung vor Zinkverdampfung und die Platine vor Verzunderung und Entkohlung schützt. Hinzu kommt jedoch, dass die Grundschicht 20 aus Al/Si als Barriere dagegen wirkt, dass Zinkatome in den Grundwerkstoff 21 eindiffundieren und eine intermetallische Fe/Zn-Schicht 24 bzw. Phase ausbilden. Diese Schicht würde die Gefahr erhöhen, dass Mikrorisse im Grundwerkstoff 21 nach dem Warmformen und Presshärten besonders in stark umgeformten Bereichen oder im Bereich von Ausnehmung, Durchzügen oder Aussparung entstehen. Die Schichtdicke d2 nach Ende der Wärmbehandlung entspricht im Wesentlichen der Schichtdicke d1 des Blechplatinenzuschnitts. ist am fertigen Bauteil vorhanden, wenn keine Reinigung wie zum Beispiel Metallgranulatstrahlen oder Beizen des fertigen Bauteils erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Struktur- und Karosseriebauteil
2: zweiter Bereich
3: erster Bereich
4: Übergangsbereich
5: A-Säule
5a: Seiten
5b: Seiten
6: Fügeflansch
7: Profilteil
8: Versteifungssicke
9: Flansch
10: Crashbox
11: Anbindungsbereich
12: Mittelteil
13: Durchzug
14: Längsrichtung
15: Fügeflansch
16: Sicke
17: Ausnehmung
18: metallische Vorbeschichtung
19: Deckschicht
20: Grundschicht
21: Grundwerkstoff
22: intermetallische Schicht Al/Si/Fe
23: intermetallische Schicht Al/Si/Zn
24: intermetallische Schicht Fe/Zn
25: Aluminiumoxidschicht
26: Zinkoxidhaut
a: Breite
d1: Dicke
d2: Dicke
R: Randbereich
P1: Zeitpunkt
P2: Zeitpunkt
P3: Zeitpunkt
uK: untere kritische Abkühlgeschwindigkeit
oK: obere kritische Abkühlgeschwindigkeit

Claims

Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einem vorbeschichteten Blechplatinenzuschnitt durch Warmformen und Presshärten, wobei das Struktur- und Karosseriebauteil (1) nach dem Presshärten mindestens zwei Gefügebereiche (2, 3) unterschiedlicher Festigkeit und/oder unterschiedlicher Duktilität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich (3) ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge aufweist, und gegenüber dem ersten Bereich (3) ein mit geringerer Festigkeit und/oder höherer Duktilität versehener zweiter Bereich (2) ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge aufweist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (3) nach dem Presshärten neben Martensit weitere Gefügebestandteile mit weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 30 Gew.-% und insbesondere weniger als 15 Gew.-% aufweist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Presshärten als weitere Gefügebestandteile des ersten Bereichs (3) Bainit und/oder Ferrit vorhanden sind.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bereich (2) nach dem Presshärten (3) neben Bainit weitere Gefügebestandteile mit weniger als 50%, vorzugsweise mit weniger als 30%, insbesondere mit weniger als 15% und ganz insbesondere mit weniger als 5% vorhanden sind.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bereich (2) nach dem Presshärten neben Bainit als weitere Gefügebestandteile Restaustenit und/oder Ferrit und/oder Perlit vorhanden sind.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter Bereich (2) punktuell ausgebildet ist, vorzugsweise mit einem Durchmesser von weniger als 40 mm, insbesondere weniger als 20 mm und besonders bevorzugt weniger als 10 mm.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweiter Bereich (2) nur partiell vom ersten Bereich (3) umgeben ist, insbesondere im Rand des Struktur- und/oder Karosseriebauteils (1).
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereichen (2) dort ausgebildet ist, wo dass Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) im Crashfall besonders starken Deformationen unterworfen ist und/oder durch Deformationen Crashenergie abgebaut werden soll.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (2) eine erhöhte Wanddicke gegenüber dem ersten Bereich (3) aufweist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bereich (2) ein kragenartiger Durchzug (13) und/oder eine Abkantung ausgebildet sind.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Presshärten der zweite Bereich (2) eine Dehngrenze A5O zwischen 10% und 30%, vorzugsweise zwischen 12% und 20% und insbesondere zwischen 12% und 16% hat.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Presshärten der zweite Bereich (2) eine Zugfestigkeit zwischen 500 und 1000 N/mm², bevorzugt zwischen 550 und 800 N/mm² aufweist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Presshärten der zweite Bereich (1) eine Streckgrenze zwischen 250 und 800 N/mm², bevorzugt zwischen 300 und 500 N/mm² aufweist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Presshärten der erste Bereich (1) eine Festigkeit von mehr als 1100 N/mm², vorzugsweise von mehr als 1300 N/mm² aufweist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu deren Herstellung eine Blechplatine mit einem im Querschnitt variablem Bleckdickenverlauf, insbesondere Tailor Welded Blank oder ein Tailor Rolled Blank verwendet wird.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Patchworkbauteil handelt und wenigstens ein Verstärkungsblech vorgesehen ist, welches mit dem Struktur- und Karosseriebauteil (1) wenigstens abschnittsweise formschlüssig und stoffschlüssig verbunden ist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundwerkstoff eine härtbare Stahllegierung zum Einsatz gelangt bestehend in Gewichtsprozent aus folgenden Legierungsbestandteilen: C: 0,19–0,27% Mn: 1,10–1,45% Si: 0,17–0,35% P: max. 0,03% S: max. 0,006% Al: 0,02-0,06% Ti: 0,02–0,06% Cr: 0,10–0,25% B: 0,002–0,004% Mo: max. 0,12% Cu: max. 0,15% Ni: max. 0,12% Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundwerkstoff eine härtbare Stahllegierung zum Einsatz gelangt bestehend in Gewichtsprozent aus folgenden Legierungsbestandteilen: C: 0.19–0.22% Cr: 1.30–1.50% Si: 1.0–2.0% Mn: 0.65–0.80% B: 0.002–0.003% Nb: 0.02–0.04% P: max. 0.015% S: max. 0.010% Al: max. 0.010% Ti: max. 0.010% Mo: max. 0.08% Cu: max. 0.20% Ni: max. 0.20%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Vorbeschichtung (18) im Wesentlichen aus Zink besteht.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Vorbeschichtung (18) im Wesentlichen aus Aluminium besteht mit Anteilen an Silizium von nicht mehr als 15% und nicht weniger als 3% und weiteren Elementen mit einem Gesamtanteil von weniger als 5%.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Vorbeschichtung (18) mehrschichtig ausgebildet ist, und eine Grundschicht (20) und eine Deckschicht (19) umfasst.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschicht (20) wenigstens 30% Aluminium und wenigstens 20% Eisen und wenigstens 3% Silizium und höchstens 30% Zink enthält und die Deckschicht (19) wenigstens 60% Zink, wenigstens 5% Aluminium und maximal 10% Eisen enthält.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Vorbeschichtung (18) insgesamt eine Dicke (d) zwischen 7 und 45 μm aufweist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Warmformen und Presshärten wenigstens eine intermetallische Schicht (22, 23, 24) zwischen Grundwerkstoff (21) und metallischer Vorbeschichtung (18) ausgebildet ist.
Struktur- und/oder Karosseriebauteil (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Warmformen und Presshärten wenigstens eine weitere intermetallische Schicht (22, 23, 24) zwischen Grundschicht (20) und Deckschicht (19) ausgebildet ist.