WO2016198186A1 - Verfahren zur warmumformung eines stahlbauteils - Google Patents

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WO2016198186A1
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Matthias Graul
Haucke-Frederik Hartmann
Jan Lass
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    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching

Definitions

  • the invention relates to a method for hot working of a steel component after
  • high-strength or ultra-high-strength, hot-formed steel components can be used, in particular in the area of the passenger compartment, for example for a B pillar, a tunnel reinforcement or a side member.
  • hot forming a steel blank is heated in an oven to the full austenitizing range (at about 920C).
  • the steel board is placed in a hot state in a forming tool (for example, a deep drawing press) and quench hardened during compression.
  • a forming tool for example, a deep drawing press
  • the relatively soft, ferritic-pearlitic starting structure of the steel component is converted into a hard martensite structure with material-dependent strengths in the range of more than 1000 MPa.
  • Boron-alloyed steels with, for example, 0.24% carbon are usually used, with the conversion behavior via the alloy (in particular boron) and the achievable
  • Pretreatment step in which on the metal surface of the steel component, a scale protection layer of an aluminum-silicon alloy is formed. This is applied to the steel component in a hot dip process.
  • the furnace temperature is in a range of 900 to 940 C, while the furnace residence time is about 4 to 10 minutes.
  • a classic zinc coating can not be used. Such a zinc coating would be in the above
  • the aluminum-silicon coating which acts as a scale protection layer, has the following disadvantages: the result of the aluminum-silicon coating is a rough, hard surface Surface structure of the steel component, which is a strong during press hardening
  • Tool wear leads.
  • the aluminum-silicon coating leads to a high edge corrosion tendency of the steel component and to a reduction of the cap life in resistance welding.
  • Aluminum-silicon coating also affects the quality of the welded joint: namely, aluminum and silicon do not evaporate during the welding process, but solidify in the weld, which can lead to weaknesses there.
  • the AlSi coating is prone to chipping or cracking during and after hot working
  • the object of the invention is a method for producing a
  • the invention is based on the problem that the conventional hot forming process is associated with a severe forming tool wear, due to the rough, hard metal surface of the steel component.
  • a further pretreatment step is carried out in which a surface oxidation takes place.
  • an inert, corrosion-resistant oxidation layer is formed on the scale protection layer, by means of which abrasive tool wear in the downstream forming step can be reduced.
  • the surface oxidation can process technically simple, for example by a
  • the steel component is treated in a pickling bath with a pickling solution and then air-dried, for example at room temperature.
  • the pickling solution can be exemplified by the aqueous solution of an acid,
  • a cover layer of high melting temperature can be applied in a dipping bath.
  • the cover layer is, for example, a titanium-zirconium layer or a metal oxide layer (preferably a titanium oxide layer), which covers the corrosion-resistant oxidation layer.
  • Top layer can be mastered challenges of flow behavior.
  • the scale protection layer may, in current practice, be an aluminum-silicon layer which is applied to the steel component, for example, in a hot-dip coating process or coil-coating process.
  • the scale protection layer may, in current practice, be an aluminum-silicon layer which is applied to the steel component, for example, in a hot-dip coating process or coil-coating process.
  • Scale protection layer also be a zinc or zinc-iron coating, which is preferably applied to the steel component in a hot dip coating process. This has a melting temperature which is lower than the heat treatment temperature (about 920 C) in the heat treatment furnace, whereby zinc can melt and flow away from the steel component. To avoid this, the zinc or zinc-iron coating with the above-mentioned
  • the starting material or substrate of the steel component may be a manganese-boron alloyed tempering steel, for example 20MnB5, 22MnB5, 27MnB5, 30MnB5.
  • Total thickness of the scale from the scale and the corrosion-resistant Oxidation layer and optionally the additional top layer existing layer structure may be less than 20 pm or greater than 33 m.
  • the oxidation layer or the cover layer may preferably have a melting temperature greater than 2000 C, a
  • Bending strength greater than 300 MPa, a compressive strength greater than 2000 MPa and a Vickers hardness greater than 1600 HV1 have.
  • a metal surface with locally different surface properties can be adjusted during the passage through the pickling passivation (pickling line).
  • pickling passivation pickling line
  • the invention improves weldability and reduces cap wear in WPS caps.
  • the energy input in laser cutting and welding improves, due to a higher degree of absorption of the steel component.
  • the additional corrosion-resistant oxidation layer also forms an effective hydrogen diffusion barrier.
  • there is an improvement in the possibilities for inline quality assurance by means of thermographic processes by increasing the emissivity (matte surface) and improving the stone chip resistance in the
  • the surface oxidation according to the invention in the second pretreatment step can take place over the full area and on one or both sides of the sheet steel part.
  • the surface oxidation can also take place partially, to form at least one surface section without oxidation layer and a second surface section with oxidation layer.
  • the heating of the steel component to a target temperature of at least 945 C can be carried out, in particular using a
  • the heat treatment may preferably be carried out in a time interval between about 100 sec. To a maximum of 4000 sec.
  • Heating routes can be deviated significantly lower from these values.
  • the steel component is a steel sheet having a material thickness in the range of 0.4 to 4 mm, in particular in the range of 0.5 to 2.50 mm.
  • the oxidation layer according to the invention is present at least before, ideally also during and after the furnace run. After the heat treatment is carried out in common practice, a transfer into one or more forming tools or tempering tools for forming or
  • the cooling is preferably carried out to a final temperature of below 600 C, in particular to a final temperature of below 400 C.
  • the oxidation layer effectively prevents the contact between the forming tool surface and the underlying layers (that is, for example, the scale protection layer).
  • Al-Fe-Si phases are formed below the oxidation layer according to the invention, with an Al-Fe phase forming in particular between these phases and the component base material.
  • the base material that is, the substrate
  • a thin ferritic layer which in particular has a layer thickness of less than 100 pm.
  • the steel component may also contain macroscopically different microstructures.
  • the steel component can be designed as a tailored-rolled blank, a tailored-welded blank or a patch blank.
  • the microstructure may have residual austenitic constituents.
  • the steel components produced according to the invention can be used in different industries, for example in a vehicle, in particular one
  • Land vehicle a passenger car or a truck.
  • FIG. 2 is a simplified block diagram of the process steps for producing the steel component shown in FIG. 1;
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment in a view corresponding to FIG. 1.
  • Fig. 1 is an example formed by diffusion processes in the oven
  • the base material (substrate) 3 of the steel component 1 is exemplified by 22MnB5.
  • a diffusion zone 5 is formed, followed on the outside by further alloy layers, namely an iron-aluminum-silicon zone 7, an iron-aluminum zone 9, an iron-aluminum-silicon-manganese zone 11, an iron-aluminum zone 13 and an aluminum oxide zone 15, an oxidation layer 17 and a cover layer 19 is a titanium oxide layer is formed.
  • the laminar structure indicated in Fig. 1 by reference numeral 2 corresponds to a coating system as known in the art.
  • the laminar structure is covered with the oxidation layer 17 and with the cover layer 19. These reduce, inter alia, the roughness of the metal surface of the steel component 1, which reduces the abrasive tool wear in the forming step and the furnace transfer.
  • the base material 3 of FIG Steel component 1 is first subjected to a pretreatment I in preparation for the hot forming.
  • the pretreatment I has, inter alia, that shown in FIG.
  • process steps la, Ib and Ic on In the process step la, a hot-dip coating takes place in which the aluminum-silicon layer 15 is applied to the steel component base material 3. This serves as a scale protection layer during the heat treatment.
  • Process step Ib is a pickling pass, in which the steel component 1 is treated in a pickling bath with a pickling solution and then air-dried at room temperature.
  • the pickling solution can be, for example, an aqueous solution of an acid, a base or a pH-neutral, for example phosphoric acid, by means of which the inert substances as well as
  • a further hot-dip coating is carried out, in which the titanium oxide layer 19 is applied as cover layer.
  • FIG. 3 shows the steel component 1 after the process step 1a has been carried out, that is to say with the AlSi layer 15.
  • FIG. 4 shows the steel component 1 after the process step Ib (that is to say after the pickling passivation) with the additional oxidation layer 17 while in FIG. 5, the steel component 1 is shown after the process step Ic, with the additional cover layer 19.
  • the steel member 1 is transferred to a heat treatment furnace in which the heat treatment II is performed.
  • the steel component 1 is heated to a target temperature of, for example, at least 945 C, for example for a predefined process duration, which may be in the range of, for example, 100 to a maximum of 4000 sec.
  • Steel component 1 is both hot formed and quench hardened.
  • the scale protection layer 15 is an Al-Si layer.
  • the scale protection layer 15 may also be a zinc or zinc-iron coating. This can preferably be applied to the steel component 1 in a hot-dip coating process.
  • FIG. 7 shows a steel component 1 according to a second exemplary embodiment, the coating system of which is essentially identical to that shown in FIG Coating system is.
  • the cover layer 19 has been omitted, so that the oxidation layer 17 is exposed to the outside.
  • FIG. 8 shows a further steel component 1 in which the oxidation layer 17 is likewise exposed to the outside.
  • the surface of the steel component 1 is in Fig. 8 in a
  • the two surface portions 21, 23 have different surface roughnesses, which form different adhesive coefficients of friction for the forming tool surface in the following forming step III, whereby the material flow can be controlled during hot forming.
  • Such different surface portions 21, 23 are for example via a masking of the steel component 1 during passage through the pickling (Beizstrom) adjustable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils (1), das in einem Wärmebehandlungsschritt (II) in einen Bereich vollständiger oder teilweiser Austenitisierung erwärmt wird, und das erwärmte Stahlbauteil (1) in einem Umformschritt (III) sowohl warmumgeformt als auch abschreckgehärtet wird, wobei dem Wärmebehandlungsschritt (II) ein erster Vorbehandlungsschritt (la) prozesstechnisch vorgelagert ist, in dem in einem das Stahlbauteil (1) zum Schutz vor Verzunderung im Wärmebehandlungsschritt (II) mit einer korrosionsfesten Schutzschicht (15) versehen wird. Erfindungsgemäß erfolgt vor der Durchführung des Wärmebehandlungsschritts (II) in einem zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) eine Oberflächenoxidation, in der eine reaktionsträge, korrosionsfeste Oxidationsschicht (17) auf der Zunderschutzschicht (15) gebildet wird, mittels der ein abrasiver Werkzeugverschleiß im Umformschritt (III) reduziert wird.

Description

Beschreibung Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Stahlbauteil nach dem Patentanspruch 17.
Im Fahrzeug-Karosseriebau können insbesondere im Bereich der Fahrgastzelle hoch- oder höchstfeste, warmumgeformte Stahl-Bauteile eingesetzt werden, zum Beispiel für eine B-Säule, eine Tunnelverstärkung oder einen Längsträger. Bei der Warmumformung wird eine Stahl- Platine in einem Ofen bis in den Bereich vollständiger Austenitisierung (bei etwa 920 C) erwärmt. Die Stahl-Platine wird im Heißzustand in ein Umformwerkzeug (zum Beispiel eine Tiefziehpresse) eingelegt und beim Verpressen abschreckgehärtet. Auf diese Weise wird das relativ weiche, ferritisch-perlitische Ausgangsgefüge des Stahl-Bauteils in ein hartes Martensit- Gefüge mit werkstoffabhängigen Festigkeiten im Bereich von über 1000 MPa umgewandelt. Eingesetzt werden üblicherweise bohrlegierte Stähle mit zum Beispiel 0.24% Kohlenstoff, wobei das Umwandlungsverhalten über die Legierung (insbesondere Bor) und die erzielbare
Festigkeit über den Kohlenstoffgehalt steuerbar ist.
Aus der EP 2 242 863 B1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Warmumformung eines solchen Stahlbauteils bekannt. Das Stahlbauteil wird vor der Durchführung des
Wärmebehandlungsschrittes im Ofen einem prozesstechnisch vorgelagerten
Vorbehandlungsschritt unterworfen, in dem auf der Metalloberfläche des Stahlbauteils eine Zunderschutzschicht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung gebildet wird. Diese wird in einem Schmelztauchverfahren auf das Stahlbauteil appliziert.
Während der Wärmebehandlung liegt die Ofentemperatur in einem Bereich von 900 bis 940 C, während die Ofenverweildauer bei ca. 4 bis 10 Minuten liegt. Aus diesem Grunde ist im Stand der Technik - anstelle der oben erwähnten Aluminium-Silizium-Beschichtung - eine klassische Zinkbeschichtung nicht einsetzbar. Eine solche Zinkbeschichtung würde bei den obigen
Ofentemperaturen abtropfen oder verbrennen.
Die als Zunderschutzschicht wirkende Aluminium-Silizium-Beschichtung weist die folgenden Nachteile auf: So ergibt sich durch die Aluminium-Silizium-Beschichtung eine raue harte Oberflächenstruktur des Stahlbauteils, was beim Presshärten zu einem starken
Werkzeugverschleiß führt. Zudem ergibt sich ein stark laminar ausgeprägter Schichtaufbau mit stark variierenden Schichteigenschaften sowie eine insgesamt nur geringe Schichthaftung auf dem Grundwerkstoff, die in einer Größenordnung von 20 N/mm2 liegt. Außerdem führt die Aluminium-Silizium-Beschichtung zu einer hohen Kantenkorrosions-Neigung des Stahlbauteils sowie zu einer Reduzierung der Kappen-Standzeiten beim Widerstandsschweißen. Die
Aluminium-Silizium-Beschichtung beeinträchtigt ferner die Qualität der Schweißverbindung: Aluminium und Silizium verdampfen nämlich beim Schweißvorgang nicht, sondern erstarren in der Schweißnaht, wodurch es dort zu Schwachstellen kommen kann. Zudem ist die AlSi- Beschichtung während und nach der Warmumformung anfällig für Abplatzer oder
Beschädigungen. Aufgrund der fehlenden Fernwirkung gegenüber eine Zinkbeschichtung ist ein Korrosionsangriff eher zu erwarten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines
warmumgeformten Stahlbauteils bereitzustellen, bei dem die Warmumformung in einfacher Weise prozesssicherer und effizienter als im Stand der Technik durchführbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 17 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass der herkömmliche Warmumformprozess mit einem starken Umformwerkzeug-Verschleiß einhergeht, und zwar aufgrund der rauen, harten Metalloberfläche des Stahlbauteils. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 nach der Auftragung der Zunderschutzschicht ein weiterer Vorbehandlungsschritt durchgeführt, in dem eine Oberflächenoxidation erfolgt. Dadurch wird auf der Zunderschutzschicht eine reaktionsträge, korrosionsfeste Oxidationsschicht gebildet, mittels der ein abrasiver Werkzeugverschleiß im nachgelagerten Umformschritt reduzierbar ist.
Die Oberflächenoxidation kann prozesstechnisch einfach beispielsweise durch eine
Beizpassivierung erfolgen. Zur Beizpassivierung wird das Stahlbauteil in einem Beizbad mit einer Beizlösung behandelt und anschließend zum Beispiel bei einer Raumtemperatur luftgetrocknet. Die Beizlösung kann exemplarisch die wässrige Lösung einer Säure,
insbesondere Phosphorsäure, oder einer neutralen bis basischen Lösung sein.
Mittels der zusätzlichen Oxidationsschicht wird die Rauigkeit der Metalloberfläche des
Stahlbauteils reduziert, wodurch sich der abrasive Werkzeugverschleiß im Umformschritt reduziert. Zudem kann ein frühzeitiger Verschleiß eventuell vorhandener Bauteil-Träger verhindert werden, die das Stahlbauteil durch den Wärmebehandlungsofen transferieren: Beim Ofen-Transfer finden im Stand der Technik nämlich Diffusionsprozesse zwischen der AlSi- Schicht des Stahlbauteils und dem Bauteil-Träger (insbesondere bei Einsatz von Keramikrollen) statt, was zu einem frühzeitigen Ausfall der Keramikrollen führt. Derartige Diffusionsprozesse sind mittels der erfindungsgemäßen zusätzlichen Oxidationsschicht signifikant reduziert. Zudem kann die Ofendurchlaufzeit reduziert werden, da erfindungsgemäß der Legierungsprozess zwischen der AlSi-Schicht mit dem Grundwerkstoff des Stahlbauteils zum Schutz der Bauteil- Trägerrollen nicht vollständig abgeschlossen sein muss. Durch eine bessere Abschirmung des Subtrats können längere zulässige Ofendurchlaufzeiten toleriert werden.
Zur weiteren Reduzierung der Oberflächen-Rauigkeit des Stahlbauteils kann vor der
Durchführung des Wärmebehandlungsschrittes ein dritter Vorbehandlungsschritt erfolgen. Im dritten Vorbehandlungsschritt kann zum Beispiel in einem Tauchbad eine Deckschicht hoher Schmelztemperatur appliziert werden. Die Deckschicht ist zum Beispiel eine Titan-Zirkonium- Schicht oder eine Metalloxidschicht (bevorzugt eine Titanoxidschicht), die die korrosionsfeste Oxidationsschicht überdeckt. Mittels dieser zusätzlichen Deckschicht wird im nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt ein Aufschmelzen der darunterliegenden Schichten, das heißt insbesondere der Zunderschutzschicht, verhindert. Durch geeignete Legierung dieser
Deckschicht können Herausforderungen des Fließverhaltens bewältigt werden.
Wie oben erwähnt, kann die Zunderschutzschicht in gängiger Praxis eine Aluminium-Silizium- Schicht sein, die beispielsweise in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess oder Coil- Coating-Prozess auf das Stahlbauteil appliziert wird. Alternativ dazu kann die
Zunderschutzschicht auch eine Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung sein, die bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess auf das Stahlbauteil applizierbar ist. Diese weist eine Schmelztemperatur auf, die kleiner ist als die Wärmebehandlungstemperatur (ca. 920 C) im Wärmebehandlungsofen, wodurch Zink schmelzen und vom Stahlbauteil abfließen kann. Um dies zu vermeiden, ist die Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung mit der oben erwähnten
Deckschicht aus Metalloxid oder aus einer Titan-Zirkonium-Legierung überdeckt, deren
Schmelztemperaturen größer als die Wärmebehandlungstemperatur im Ofen ist. Dadurch wird während der Wärmebehandlung ein Aufschmelzen der Zink-/Zink-Eisen-Schicht verhindert.
Der Ausgangswerkstoff oder das Substrat des Stahlbauteils kann ein Mangan-Bor-legierter Vergütungsstahl sein, zum Beispiel 20MnB5, 22MnB5, 27MnB5, 30MnB5. Die
Gesamtschichtdicke des aus der Zunderschutzschicht und der korrosionsfesten Oxidationsschicht sowie gegebenenfalls der zusätzlichen Deckschicht bestehenden Schichtaufbaus kann kleiner als 20 pm sein oder größer als 33 m sein. Die Oxidationsschicht oder die Deckschicht kann bevorzugt eine Schmelztemperatur größer als 2000 C, eine
Biegefestigkeit größer als 300 MPa, eine Druckfestigkeit größer als 2000 MPa sowie eine Vickershärte größer 1600 HV1 aufweisen.
Über eine Maskierung des Stahlbauteils kann beim Durchlauf durch die Beizpassivierung (Beizanlage) eine Metalloberfläche mit lokal unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften einstellbar sein. Zudem besteht die Möglichkeit, durch gezielte Freiform beschichtung (das heißt Oxidation) der Coils oder Platinen maßgeschneiderte Eigenschaften zu erzielen. Außerdem verbessert sich mit der Erfindung die Schweißbarkeit und reduziert sich der Kappenverschleiß bei WPS-Kappen. Zudem verbessert sich die Energieeinkopplung beim Laserschneiden und -schweißen, und zwar aufgrund einen höheren Absorptionsgrads des Stahlbauteils. Die zusätzliche korrosionsfeste Oxidationsschicht bildet zudem eine wirksame Wasserstoff- Diffusionsbarriere. Außerdem ergibt sich eine Verbesserung der Möglichkeiten zur Inline- Qualitätssicherung mittels thermographischer Verfahren durch Erhöhung des Emissionsgrads (mattere Oberfläche) sowie eine Verbesserung der Steinschlagfestigkeit in den
Korrosionsbereichen.
Die erfindungsgemäße Oberflächenoxidation im zweiten Vorbehandlungsschritt kann in einer Ausführungsform vollflächig sowie ein- oder beidseitig des Stahlblechteils erfolgen. Alternativ dazu kann die Oberflächenoxidation auch partiell erfolgen, und zwar unter Bildung zumindest eines Flächenabschnittes ohne Oxidationsschicht sowie eines zweiten Flächenabschnittes mit Oxidationsschicht. Diese Flächenabschnitte weisen somit unterschiedliche
Oberflächenrauigkeiten auf, die im Umformschritt (das heißt in der Tiefziehpresse)
unterschiedliche Haft-Reibkoeffizienten mit der in Kontakt befindlichen Umform-Werkzeugfläche bilden. Auf diese Weise kann während der Warmumformung der Werkstofffluss gesteuert werden.
Nachfolgend sind weitere Erfindungsaspekte sowie Vorteile der Erfindung beschrieben: So kann im Wärmebehandlungsschritt das Aufheizen des Stahlbauteils auf eine Zieltemperatur von mindestens 945 C erfolgen, und zwar insbesondere unter Verwendung eines
Aufheizhaltepunktes im Bereich von 600 C. Die Wärmebehandlung kann bevorzugt in einem Zeitintervall zwischen etwa 100 sec. bis maximal 4000 sec. erfolgen. Bei alternativen
Aufheizrouten (Induktion, Konduktion) kann von diesen Werten deutlich nach unten abgewichen werden. Bevorzugt ist das Stahlbauteil ein Stahlblech mit einer Materialdicke im Bereich von 0,4 bis 4 mm, insbesondere im Bereich von 0.5 bis 2,50 mm. Die erfindungsgemäße Oxidationsschicht liegt dabei mindestens vor, idealerweise auch während sowie nach dem Ofendurchlauf vor. Nach der Wärmebehandlung erfolgt in gängiger Praxis ein Transfer in ein oder mehrere Umformwerkzeuge oder Vergütungswerkzeuge zur Umformung oder zur
Vergütung. Im Umformwerkzeug erfolgt die Abkühlung bevorzugt auf eine Endtemperatur von unter 600 C, insbesondere auf eine Endtemperatur von unter 400 C.
Mit den insgesamt drei Vorbehandlungsschritten ergibt sich ein Schichtsystem auf dem
Stahlbauteil von insgesamt mindestens fünf unterschiedlichen Schichten. Die Oxidationsschicht verhindert dabei wirkungsvoll den Kontakt zwischen der Umformwerkzeug-Oberfläche und den darunterliegenden Schichten (das heißt zum Beispiel der Zunderschutzschicht). Beispielhaft sind unter der erfindungsgemäßen Oxidationsschicht Al-Fe-Si-Phasen ausgebildet, wobei sich insbesondere zwischen diesen Phasen und dem Bauteil-Grundwerkstoff eine Al-Fe-Phase ausbildet.
Zudem kann sich an der äußersten Schicht des Grundwerkstoffes (das heißt des Substrats), eine dünne ferritische Schicht ausbilden, die insbesondere eine Schichtdicke von weniger als 100 pm aufweist. Das Stahlbauteil kann ferner makroskopisch unterschiedliche Gefüge enthalten.
Durch Anwendung gängiger Prozesstechnologien können im Stahlbauteil lokal unterschiedliche Festigkeiten erzielt werden. Beispielhaft kann das Stahlbauteil als ein Tailored-Rolled-Blank, ein Tailored-Welded-Blank oder ein Patch-Blank ausgeführt sein. Außerdem kann das Gefüge restaustenitisiche Bestandteile aufweisen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Stahlbauteile können in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden, und zwar beispielhaft in einem Fahrzeug, insbesondere einem
Landfahrzeug, einem Personenkraftwagen oder einem Lastkraftwagen. Ein Einsatz als
Sicherheitsprofil in gepanzerten Fahrzeugen ist erfindungsgemäß möglich.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen. Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: den Schichtaufbau an einem fertiggestellten Stahlbauteil nach der
Warmumformung;
Fig. 2 in einem vereinfachten Blockschaltbild die Prozessschritte zur Herstellung des in der Fig. 1 gezeigten Stahlbauteils;
Fig. 3 bis 6 den Schichtaufbau an der Oberfläche des Stahlbauteils in unterschiedlichen
Prozessschritten;
Fig. 7 in einem zweiten Ausführungsbeispiel den Schichtaufbau an einem fertiggestellten
Stahlbauteil in einer Ansicht entsprechend der Fig. 1 ; und
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Ansicht entsprechend der Fig. 1.
In der Fig. 1 ist beispielhaft ein durch Diffusionsvorgänge im Ofen gebildetes
Beschichtungssystem eines fertiggestellten Stahlbauteils 1 nach der Warmumformung gezeigt. Der Grundwerkstoff (Substrat) 3 des Stahlbauteils 1 ist beispielhaft 22MnB5. Unmittelbar auf dem Grundwerkstoff 3 ist eine Diffusionszone 5 ausgebildet, an der nach außen weitere Legierungsschichten folgen, nämlich eine Eisen-Aluminium-Silizium-Zone 7, eine Eisen- Aluminium-Zone 9, eine Eisen-Aluminium-Silizium-Mangan-Zone 11 , eine Eisen-Aluminium- Zone 13 sowie eine Aluminiumoxid-Zone 15, eine Oxidationsschicht 17 und als Deckschicht 19 eine Titanoxidschicht gebildet ist.
Der in der Fig. 1 mit der Bezugsziffer 2 gekennzeichnete laminarer Aufbau entspricht einem Beschichtungssystem, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zusätzlich ist der laminare Aufbau mit der Oxidationsschicht 17 und mit der Deckschicht 19 überdeckt. Diese reduzieren unter anderem die Rauigkeit der Metalloberfläche des Stahlbauteils 1 , wodurch sich der abrasive Werkzeugverschleiß im Umformschritt sowie beim Ofentransfer reduziert.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 bis 6 das Verfahren zur Herstellung des in der Fig. 1 gezeigten Stahlbauteils 1 beschrieben: So wird in der Fig. 2 der Grundwerkstoff 3 des Stahlbauteils 1 zunächst einer Vorbehandlung I zur Vorbereitung für die Warmumformung unterworfen. Die Vorbehandlung I weist unter anderem die in der Fig. 2 gezeigten
Prozessschritte la, Ib und Ic auf. Im Prozessschritt la erfolgt eine Schmelztauchbeschichtung, in auf dem Stahlbauteil-Grundwerkstoff 3 die Aluminium-Silizium-Schicht 15 appliziert wird. Diese dient während der Wärmebehandlung als eine Zunderschutzschicht. Im nachfolgenden
Prozessschritt Ib erfolgt eine Beizpassivierung, bei der das Stahlbauteil 1 in einem Beizbad mit einer Beizlösung behandelt und anschließend bei Raumtemperatur luftgetrocknet wird. Die Beizlösung kann beispielhaft eine wässrige Lösung einer Säure, einer Base oder PH-Wert - neutral sein, zum Beispiel Phosphorsäure, mittels der sich die reaktionsträge sowie
korrosionsfeste Oxidationsschicht 17 auf der Aluminium-Silizium-Schicht 15 bildet.
Anschließend wird in einem dritten Prozessschritt Ic eine weitere Schmelztauchbeschichtung durchgeführt, bei der als Deckschicht die Titanoxidschicht 19 aufgebracht wird.
In der Fig. 3 ist das Stahlbauteil 1 nach erfolgtem Prozessschritt la gezeigt, das heißt mit der AlSi-Schicht 15. In der Fig. 4 ist das Stahlbauteil 1 nach dem Prozessschritt Ib (das heißt nach der Beizpassivierung) mit der zusätzlichen Oxidationsschicht 17 gezeigt, während in der Fig. 5 das Stahlbauteil 1 nach dem Prozessschritt Ic dargestellt ist, und zwar mit der zusätzlichen Deckschicht 19.
Im Anschluss an die Vorbehandlung I wird das Stahlbauteil 1 in einen Wärmebehandlungsofen transferiert, in dem die Wärmebehandlung II durchgeführt wird. Hierzu wird das Stahlbauteil 1 auf eine Zieltemperatur von zum Beispiel mindestens 945 C aufgeheizt, und zwar exemplarisch für eine vordefinierte Prozessdauer, die im Bereich von zum Beispiel 100 bis maximal 4000 sec. liegen kann. Durch Diffusionsvorgänge im Ofen bildet sich das in der Fig. 6 gezeigte
Beschichtungssystem auf der Oberfläche des Stahlbauteil 1. Das noch im Heißzustand befindliche Stahlbauteil 1 wird dann einer Warmumformung III unterworfen, bei der das
Stahlbauteil 1 sowohl warmumgeformt als abschreckgehärtet wird.
In dem obigen Ausführungsbeispiel ist die Zunderschutzschicht 15 eine Al-Si-Schicht. Anstelle dessen kann die Zunderschutzschicht 15 auch eine Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung sein. Diese kann bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess auf das Stahlbauteil 1 appliziert werden.
In der Fig. 7 ist ein Stahlbauteil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Beschichtungssystem im Wesentlichen identisch mit dem in der Fig. 1 gezeigten Beschichtungssystem ist. Alternativ zur Fig. 1 ist in der Fig. 7 die Deckschicht 19 weggelassen, so dass die Oxidationsschicht 17 nach außen freigelegt ist.
In der Fig. 8 ist ein weiteres Stahlbauteil 1 gezeigt, bei dem die Oxidationsschicht 17 ebenfalls nach außen freigelegt ist. Die Oberfläche des Stahlbauteils 1 ist in der Fig. 8 in einen
Flächenabschnitts 21 ohne Oxidationsschicht 17 und in einem Flächenabschnitt 23 mit
Oxidationsschicht 17 unterteilt. Die beiden Flächenabschnitte 21 , 23 weisen unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten auf, die im folgenden Umformschritt III unterschiedliche Haft- Reibkoeffizienten zur Umform-Werkzeugf läche bilden, wodurch während der Warmumformung der Werkstofffluss steuerbar ist. Derart unterschiedliche Flächenabschnitte 21 , 23 sind zum Beispiel über eine Maskierung des Stahlbauteils 1 beim Durchlauf durch die Beizpassivierung (Beizanlage) einstellbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils (1 ), das in einem
Wärmebehandlungsschritt (II) in einen Bereich vollständiger oder teilweiser
Austenitisierung erwärmt wird, und das erwärmte Stahlbauteil (1 ) in einem Umform schritt (III) sowohl warmumgeformt als auch abschreckgehärtet wird, wobei dem
Wärmebehandlungsschritt (II) ein erster Vorbehandlungsschritt (la) prozesstechnisch vorgelagert ist, in dem das Stahlbauteil (1 ) zum Schutz vor Verzunderung im
Wärmebehandlungsschritt (II) mit einer korrosionsfesten Zunderschutzschicht (15) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des
Wärmebehandlungsschritts (II) in einem zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) eine
Oberflächenoxidation erfolgt, in der eine reaktionsträge, korrosionsfeste Oxidationsschicht (17) auf der Zunderschutzschicht (15) gebildet wird, mittels der ein abrasiver
Werkzeugverschleiß im Umformschritt (III) reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenoxidation im zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) durch Beizpassivierung erfolgt, und dass
insbesondere zur Beizpassivierung das Stahlbauteil (1 ) in einem Beizbad mit einer Beizlösung behandelt wird und anschließend getrocknet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beizlösung eine
wässrige Lösung einer Säure, insbesondere Phosphorsäure, oder einer neutralen bis basischen Lösung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der
Durchführung des Wärmebehandlungsschritts (II) ein dritter Vorbehandlungsschritt (Ic) erfolgt, in dem, insbesondere in einem Tauchbad, eine Deckschicht (19) hoher
Schmelztemperatur auf der korrosionsfesten Oxidationsschicht (17) gebildet wird, und dass mittels der Deckschicht (19) im nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt (II) ein Aufschmelzen der darunter liegenden Schichten verhindert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (19) eine Metalloxidschicht, insbesondere eine Titanoxidschicht, oder eine Titan-Zirkonium-Schicht ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15) eine Aluminium-Silizium-Schicht ist, die bevorzugt in einem Schmelztauch beschichtungsprozess oder Coil-Coating-Prozess auf das Stahlbauteil (1 ) appliziert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15) eine Aluminium haltige Schicht ist, die bevorzugt in einem Schmelztauch beschichtungsprozess oder Coil-Coating-Prozess auf das Stahlbauteil (1 ) appliziert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15) eine Zink- bzw. Zink-Eisen-Beschichtung ist, die bevorzugt in einem Schmelztauchbeschichtungsprozess auf das Stahlbauteil (1 ) appliziert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenoxidation im zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) partiell erfolgt, und zwar unter Bildung zumindest eines Flächenabschnitts (21 ) ohne Oxidationsschicht (17) und eines Flächenabschnitts (23) mit Oxidationsschicht (17), und dass die Flächenabschnitte (21 , 23) unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten aufweisen, die im Umformschritt (III) unterschiedliche Haft-Reibkoeffizienten zur Umform-Werkzeugfläche bilden, wodurch während der Warmumformung der Werkstofffluss steuerbar ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff oder Substrat (3) des Stahlbauteils (1 ) ein Mangan-Bor-legierter Vergütungsstahl ist, insbesondere 20MnB5, 22MnB5, 27MnB5, 30MnB5.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschichtdicke (s) vor dem Wärmebehandlungsschritt kleiner als 20 m ist oder größer als 33 pm ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsschicht (17) und/oder die Deckschicht (19) eine Schmelztemperatur größer als 2000 C, eine Biegefestigkeit größer als 300 MPa, eine Druckfestigkeit größer als 2000 MPa und eine Vickershärte größer als 1600 HV1 aufweist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunderschutzschicht (15), die Oxidationsschicht (17) und gegebenenfalls die
Deckschicht (19) vor dem Wärmebehandlungschritt (II) auf das Substrat (3) des
Stahlbauteils (1 ) aufgebracht werden, und dass die sich während des
Wärmebehandlungsschrittes (II) durch Diffusionsvorgänge unter der Oxidationsschicht (17) weitere Phasen bzw. Schichten (5 bis 15) ausbilden, insbesondere eine Al-Fe-Si- Phase (7), eine AI-FE-Zone (9), eine Al-Fe-Si-Mn-Zone (11 ), eine Fe-Al-Zone (13) und eine Aluminiumoxid-Zone.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Austentisierungstemperatur des Werkstoffs nicht erreicht wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Austentisierungstemperatur des Werkstoffs nur partiell erreicht wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kritische
Abkühlgeschwindigkeit zur Bildung eines martensitischen Gefüges des Werkstoffs nicht oder nur partiell erreicht wird.
17. Stahlbauteil, das in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche
hergestellt ist, in dem das Stahlbauteil (1 ) in einem Wärmebehandlungsschritt (II) in einen Bereich vollständiger oder teilweiser Austenitisierung erwärm bar ist, und das erwärmte Stahlbauteil (1 ) in einem Umformschritt (III) sowohl warmumgeformt als auch
abschreckgehärtet wird, wobei dem Wärmebehandlungsschritt (II) ein erster
Vorbehandlungsschritt (la) prozesstechnisch vorgelagert ist, in dem das Stahlbauteil (1 ) zum Schutz vor Verzunderung im Wärmebehandlungsschritt (II) mit einer korrosionsfesten Zunderschutzschicht (15) ausbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der
Zunderschutzschicht (15) des Stahlbauteils (1 ) eine reaktionsträge, korrosionsfeste Oxidationsschicht (17) ausgebildet ist, mittels der ein abrasiver Werkzeugverschleiß im Umformschritt (III) reduzierbar ist, und dass die Oxidationsschicht (17) vor der
Durchführung des Wärmebehandlungsschritts (II) in einem zweiten Vorbehandlungsschritt (Ib) bei einer Oberflächenoxidation erzeugbar ist.
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