WO2019242818A1 - Kraftfahrzeugbauteil aus vergütungsstahl - Google Patents

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WO2019242818A1
WO2019242818A1 PCT/DE2019/100569 DE2019100569W WO2019242818A1 WO 2019242818 A1 WO2019242818 A1 WO 2019242818A1 DE 2019100569 W DE2019100569 W DE 2019100569W WO 2019242818 A1 WO2019242818 A1 WO 2019242818A1
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Definitions

  • the invention relates to a motor vehicle component made from a tempered steel with a coating of zinc.
  • Profile components made of sheet steel are coated with the aim of improving their properties. As a result, in particular the corrosion resistance but also the wear resistance can be increased.
  • press-hardened components in particular body components, from a semi-finished product made of unhardened, hot-formable steel sheet are known.
  • the press-hardened component blank is coated with a layer protecting against corrosion in a coating step using a thermal diffusion process. Water-hardening and tempering steels are advantageously used there.
  • the corrosion protection layer consists of a zinc / iron alloy produced in a solid diffusion process, the layer thickness being less than or equal to 10 pm.
  • DE 10 2005 002 706 A1 counts a prior art method for applying a solid metallic coating, in particular made of zinc or a zinc alloy, to a steel sheet profile component.
  • the profile component is fogged in a treatment room with a metal powder.
  • the metal powder is deposited electrostatically over the entire surface of the profile component.
  • a diffusion process takes place between the steel sheet and the metal powder, the coating being formed.
  • the profile components are coated in a continuous process.
  • EP 2 271 784 B1 discloses a method for coating a surface of a metallic profile component with zinc, which is used as a shard process is carried out.
  • the profile components to be coated are heat-treated together with zinc as a coating agent at a temperature between 200 ° C and 500 ° C in a reaction chamber.
  • the reaction space is, in particular, slowly rotating closed containers, for example a drum or a rotary kiln.
  • the oxygen content of the atmosphere contained in the reaction space is set to less than or equal to 5% by volume.
  • a flux is supplied to the reaction chamber before the heat treatment.
  • the invention is based on the object of creating a high-strength, corrosion-resistant motor vehicle component with improved load behavior.
  • the motor vehicle component according to the invention is made from a tempered steel.
  • This quenched and tempered steel consists of a steel alloy which, in addition to iron (Fe) as the main constituent and unavoidable impurities, contains the following alloy elements each as a mass fraction of the melt analysis in percent (mass%):
  • the coating is a zinc diffusion coating consisting of a zinc-iron coating.
  • a particularly advantageous steel alloy is composed as follows in percent by mass (mass%):
  • V Vanadium (V) maximum 0.05
  • Titanium (Ti) maximum 0.01
  • the motor vehicle components are hot-formed and press-hardened profile components.
  • a steel sheet made from the tempering steel according to the invention is heated to a temperature above AC3 and then quickly, i. H. usually in less than 5 s, reshaped and clamped in the press tool, subjected to rapid cooling so that a martensitic and / or bainitic structure is achieved.
  • These measures result in a product with high dimensional accuracy, good dimensional stability and high strength values, which is very suitable for structural, body and safety components in the vehicle.
  • the motor vehicle components can also be hardened only in certain areas, that is to say they have locally different structures and / or material properties.
  • the steel alloy has a coordinated chemical composition, which is particularly advantageous for hot forming and press hardening.
  • a ferritic-pearlitic structure In the initial state there is a ferritic-pearlitic structure.
  • the structure can be transformed into a purely martensitic Structure to be transformed. This increases the tensile strengths to 1,800 MPa to 2,200 MPa.
  • the component properties are essentially set by cooling in the tool. By controlling the cooling, motor vehicle components with graduated strength properties can be manufactured.
  • Partial press hardening offers the possibility of providing the motor vehicle components with partially different properties with regard to strength and elongation.
  • partial press hardening which is also called tailored tempering, different or different component properties are set via targeted temperature control in the thermoforming process. The desired mechanical properties are generated through the choice of different structural changes.
  • Tailored blanks in particular tailored rolled blanks (TRB), which consist of tempering steel used according to the invention, can then be used as the starting board for the production of the motor vehicle components according to the invention.
  • TRB tailored rolled blanks
  • the motor vehicle components according to the invention are particularly advantageously hot-formed and press-hardened.
  • the component can be press-hardened completely or only in some areas.
  • the forming can take place directly or indirectly.
  • Direct single-stage hot stamping is the most common process within hot stamping.
  • the component In direct hot forming, the component is austenitized at a steel-dependent temperature, transferred to the cooled die or the pressing tool and then formed. Forming and component hardening take place in one step. In this way, complex geometries can be formed because the material has excellent formability at high temperatures.
  • the component With indirect hot forming, the component is first cold or unheated preformed or deep drawn. Then the component is on the Austenitizing temperature heated and fully formed. This additional step extends the shape limits for very complex geometries.
  • a metal powder based on zinc or a zinc alloy is used as the coating material.
  • This can be pure zinc powder, but it can also be a metal powder formulated with additives.
  • the individual zinc grains are usually covered with an oxide skin.
  • the coating is formed by a diffusion process between the motor vehicle components and the metal powder.
  • the heat treatment is carried out with precise temperature control.
  • the temperature of the heat treatment is between 300 ° C and 420 ° C, in particular between 360 ° C and 420 ° C.
  • the heat treatment is carried out over a period of 5 minutes to 120 minutes, in particular in a period of 5 minutes to 50 minutes.
  • the heat treatment advantageously extends over a period of 5 minutes to 30 minutes, preferably over a period of 10 minutes to 30 minutes.
  • a zinc-iron alloy layer forms on the motor vehicle components to be coated by diffusion. This corresponds to a shard coating.
  • the quenched and tempered steel used according to the invention has a tensile strength Rm of 1,800 MPa to 2,200 MPa and a yield strength Rp0.2 of 1,100 MPa to 1,500 MPa after hot forming and press hardening.
  • the motor vehicle components according to the invention After the heat treatment during the coating process and the formation of the zinc-fusion coating consisting of a zinc-iron coating, the motor vehicle components according to the invention have a tensile strength Rm reduced by 20% to 40%. At the yield point Rp0.2, the coating process leads to changes from -15% to to + 5%.
  • a motor vehicle component according to the invention which is in particular a structural and / or safety component, has high dimensional accuracy, good material characteristics and high strength and toughness with very good corrosion protection.
  • the method according to the invention in which the coating takes place in a continuous process, is particularly suitable for the manufacture of crash-relevant motor vehicle structural components in which very good corrosion protection and very high strength in combination with relatively high ductility are required.
  • crash-relevant motor vehicle structural components in which very good corrosion protection and very high strength in combination with relatively high ductility are required.
  • These are all components of the vehicle body that are in the floor area, i.e. are exposed to a high level of corrosion and / or that should provide a high section modulus in the event of a crash without failure.
  • Typical motor vehicle components according to the invention are bumper cross beams, A, B, C or D pillars, body reinforcements or side skirts and side impact beams.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil aus einem Vergütungsstahl mit einer Beschichtung aus Zink. Hierbei wird ein höchstfester Vergütungsstahl auf Basis einer Bor-Mangan-Stahl-Legierung verwendet. Die Beschichtung ist eine aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehende Zink-Diffusionsbeschichtung.

Description

Kraftfahrzeuqbauteil aus Vergütungsstahl
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil aus einem Vergütungsstahl mit einer Beschichtung aus Zink.
Die Beschichtung von Profilbauteilen aus Stahlblech erfolgt mit dem Ziel, deren Eigenschaften zu verbessern. Hierdurch können insbesondere die Korrosionsbeständigkeit aber auch die Verschleißfestigkeit erhöht werden.
Verfahren zum Aufträgen von festhaftenden Beschichtungen aus formlosen Stoffen auf metallische Oberflächen sind im Stand der Technik bekannt. Hierzu zählen das Feuerverzinken ebenso wie das Spritzverzinken, das galvanische Verzinken oder das Sherardisieren (Diffusionsverzinkung). Das Sherardisieren ist in der DIN EN ISO 17668:2016 "Zink-Diffusionsschichten auf Eisen - Sherardisieren - Anforderungen" international spezifiziert. Der Prozess ist diffusionsgesteuert und wird über eine Wärmebehandlung ausgeführt, wobei eine Schicht über die Dampfphase des Zinks erzeugt wird. Die Schichtabscheidung erfolgt durch Phasenreaktion mit der Oberfläche der metallischen Profilbauteile, bei der eine Zink-Eisen-Legierungsschicht entsteht. Die Schicht wächst aus der Oberfläche der Profilbauteile und ist daher konturnah.
Aus der EP 1 646 458 B1 sind Verfahren zur Herstellung von pressgehärteten Bauteilen, insbesondere von Karosseriebauteilen, aus einem Halbzeug aus ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech bekannt. Der pressgehärtete Bauteilrohling wird in einem Beschichtungsschritt unter Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens mit einer vor Korrosion schützenden Schicht überzogen. Dort kommen vorteilhafterweise wasserhärtende Vergütungsstähle zur Anwendung.
Dies sieht auch die DE 103 48 086 A1 vor. Diese beschreibt ein warmgeformtes und pressgehärtetes Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil für ein Kraftfahrzeug aus hochfestem Stahl mit einer Korrosionsschutzschicht aus Zink. Die Korrosionsschutzschicht besteht aus einer in einem Feststoffdiffusionsverfahren erzeugten Zink-/Eisenlegierung, wobei die Schichtdicke kleiner gleich 10 pm beträgt.
Durch die DE 10 2005 002 706 A1 zählt ein Verfahren zum Aufbringen einer festen metallischen Beschichtung, insbesondere aus Zink bzw. einer Zinklegierung, auf ein Profilbauteil aus Stahlblech zum Stand der Technik. Hierbei wird das Profilbauteil in einem Behandlungsraum mit einem Metallpulver eingenebelt. Das Metallpulver wird elektrostatisch auf der Oberfläche des Profilbauteils vollflächig abgeschieden. In einem sich anschließenden Wärmebehandlungsvorgang erfolgt ein Diffusionsprozess zwischen dem Stahlblech und dem Metallpulver, wobei die Beschichtung ausgebildet wird. Die Beschichtung der Profilbauteile erfolgt in einem Durchlaufprozess.
Die EP 2 271 784 B1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines metallischen Profilbauteils mit Zink, welches als Sherardisierverfahren durchgeführt wird. Die zu beschichtenden Profilbauteile werden zusammen mit Zink als Beschichtungsmittel bei einer Temperatur zwischen 200°C und 500°C in einem Reaktionsraum wärmebehandelt. Bei dem Reaktionsraum handelt es sich insbesondere um langsam rotierende geschlossene Behälter, beispielsweise einer Trommel oder einem Drehofen. Vor dem Beginn der Wärmebehandlung wird der Sauerstoffgehalt der in dem Reaktionsraum enthaltenen Atmosphäre auf weniger gleich 5 Vol.-% eingestellt. Des Weiteren wird dem Reaktionsraum vor der Wärmebehandlung ein Flussmittel zugeführt.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein hochfestes korrosionsbeständiges Kraftfahrzeugbauteil mit verbessertem Belastungsverhalten zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1.
Vorteilshafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 4.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteil ist aus einem Vergütungsstahl hergestellt. Dieser Vergütungsstahl besteht aus einer Stahllegierung, welche neben Eisen (Fe) als Hauptbestandteil und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungselemente jeweils als Masseanteile der Schmelzanalyse in Prozent (Ma.- %) enthält:
Kohlenstoff (C) 0,3 - 0,4
Silizium (Si) 0,15 - 1 ,0
Mangan (Mn) 0,5 - 2,0
Phosphor (P) maximal 0,05
Schwefel (S) maximal 0,01
Stickstoff (N) maximal 0,01
Chrom (Cr) 0,05 - 1 ,0
Nickel (Ni) maximal 0,3
Kupfer (Cu) maximal 0,1
Molybdän (Mo) maximal 0,5
Aluminium (AI) maximal 0,1
Niob (Nb) 0,02 - 0,1
Vanadium (V) maximal 0,06
Titan (Ti) maximal 0,1
Bor (B) 0,001 - 0,01 . Die Beschichtung ist eine aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehende Zink- Diffusionsbeschichtung.
Eine besonders vorteilhafte Stahllegierung setzt sich in Masseanteilen in Prozent (Ma.-%) folgendermaßen zusammen:
Kohlenstoff (C) 0,32 - 0,38
Silizium (Si) 0,2 - 0,50
Mangan (Mn) 0,8 - 1 ,5
Phosphor (P) maximal 0,02
Schwefel (S) maximal 0,005
Stickstoff (N) maximal 0,005
Chrom (Cr): 0,1 - 0,5
Nickel (Ni) maximal 0,1
Kupfer (Cu) maximal 0,05
Molybdän (Mo) maximal 0,3
Aluminium (AI) maximal 0,06
Niob (Nb) 0,02 - 0,06
Vanadium (V) maximal 0,05
Titan (Ti) maximal 0,01
Bor (B) 0,001 - 0,005
Rest Eisen (Fe) nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Insbesondere handelt es sich bei den Kraftfahrzeugbauteilen um warmumgeformte und pressgehärtete Profilbauteile. Hierbei wird ein Stahlblech aus dem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl auf eine Temperatur über AC3 erwärmt und danach schnell, d. h. in der Regel in weniger als 5 s, umgeformt und im Presswerkzeug eingespannt einer Schnellkühlung unterzogen, so dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird. Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, welches sich sehr gut für Struktur-, Karosserie- und Sicherheitsbauteile im Fahrzeug eignet. Die Kraftfahrzeugbauteile können auch nur bereichsweise gehärtet sein, also lokal unterschiedliche Gefüge und/oder Materialeigenschaften aufweisen.
Die Stahllegierung weist eine aufeinander abgestimmte chemische Zusammensetzung auf, die besonders vorteilhaft für das Warmformen und Presshärten geeignet ist. Im Ausgangszustand liegt ein ferritisch-perlitisches Gefüge vor. Durch die Härtungsbehandlung kann das Gefüge in ein rein martensitisches Gefüge umgewandelt werden. Hierdurch werden die Zugfestigkeiten auf 1.800 MPa bis 2.200 MPa erhöht. Die Einstellung der Bauteileigenschaften erfolgt im Wesentlichen durch die Abkühlung im Werkzeug. Durch eine Steuerung der Abkühlung lassen sich Kraftfahrzeugbauteile mit graduierten Festigkeitseigenschaften hersteilen.
Das partielle Presshärten bietet die Möglichkeit, die Kraftfahrzeugbauteile mit partiell unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit und der Dehnung zu versehen. Beim partiellen Presshärten, das auch Tailored Tempering genannt wird, werden über eine gezielte Temperaturführung im Warmform prozess partiell bzw. lokal unterschiedliche Bauteileigenschaften eingestellt. Die angestrebten mechanischen Eigenschaften werden über die Wahl unterschiedlicher Gefügeumwandlungen erzeugt.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein Kraftfahrzeugbauteil Bereiche mit unterschiedlichen Wanddicken aufweist. Als Ausgangsplatine für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile können dann Tailored Blanks, insbesondere Tailored Rolled Blanks (TRB) zum Einsatz gelangen, die aus erfindungsgemäß verwendetem Vergütungsstahl bestehen.
Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile warmumgeformt und pressgehärtet. Hierbei kann das Bauteil vollständig oder auch nur bereichsweise pressgehärtet sein. Die Umformung kann direkt oder indirekt erfolgen.
Die direkte einstufige Warmumformung ist das meist verbreitete Verfahren innerhalb der Warmumformung. Bei der direkten Warmumformung wird das Bauteil bei einer stahlabhängigen Temperatur austenitisiert, zur gekühlten Matrize bzw. dem Presswerkzeug transferiert und dann umgeformt. Die Umformung und die Bauteilhärtung finden in einem Schritt statt. Auf diese Weise sind komplexe Geometrien formbar, weil der Werkstoff bei hohen Temperaturen über sehr gute Formbarkeit verfügt.
Bei der indirekten Warmumformung wird das Bauteil zuerst kalt bzw. ungeheizt vorgeformt bzw. tiefgezogen. Anschließend wird das Bauteil auf die Austenitisierungstemperatur geheizt und fertiggeformt. Dieser zusätzliche Schritt erweitert die Formgrenzen für sehr komplexe Geometrien.
Als Beschichtungsstoff kommt insbesondere ein Metallpulver auf Basis von Zink oder einer Zinklegierung zur Anwendung. Hierbei kann es sich um reines Zinkpulver handeln, aber auch um ein mit Additiven ergänzt formuliertes Metallpulver. Die einzelnen Zinkkörner sind in der Regel mit einer Oxidhaut überzogen.
Bei der Wärmebehandlung wird durch einen Diffusionsprozess zwischen den Kraftfahrzeugbauteilen und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet. Die Wärmebehandlung erfolgt mit einer genauen Temperaturführung. Hierbei liegt die Temperatur der Wärmebehandlung zwischen 300°C und 420°C, insbesondere zwischen 360°C und 420°C.
Die Wärmebehandlung erfolgt über einen Zeitraum von 5 min bis 120 min, insbesondere in einem Zeitraum von 5 min bis 50 min. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 5 min bis 30 min, vorzugsweise über einen Zeitraum von 10 min bis 30 min.
Im Zuge der Wärmebehandlung bildet sich auf den zu beschichtenden Kraftfahrzeugbauteilen durch Diffusion eine Zink-Eisen-Legierungsschicht. Diese entspricht einer Sherardisierschicht.
Die Anwendung eines Sherardisierverfahrens auf Kraftfahrzeugbauteilen aus dem erfindungsgemäßen vorgesehenen Vergütungsstahl ist ungewöhnlich weil ein Fachmann eine Wärmebehandlung dieser Stähle mit Temperaturen oberhalb von 200°C üblicherweise vermeiden würde, um die Zugfestigkeit der Kraftfahrzeugbauteile nicht zu stark herab zu setzen. Allerdings führt die kurze Dauer der Wärmebehandlung zu einer tolerierbaren Absenkung der Zugfestigkeit wohingegen die Duktilität steigt.
Der erfindungsgemäß verwendete Vergütungsstahl weist nach dem Warmformen und Presshärten eine Zugfestigkeit Rm von 1.800 MPa bis 2.200 MPa und eine Streckgrenze Rp0,2 von 1.100 MPa bis 1.500 MPa auf. Nach der Wärmebehandlung beim Beschichtungsvorgang und Ausbildung der aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehenden Zink-Fusionsbeschichtung besitzen die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile eine um 20% bis 40% verminderte Zugfestigkeit Rm. Bei der Streckgrenze Rp0,2 führt der Beschichtungsvorgang zu Veränderungen von -15% bis zu +5%.
Insgesamt verfügt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbauteil, bei dem es sich insbesondere um ein Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil handelt, über eine hohe Formgenauigkeit, gute Materialkennwerte sowie hohe Festigkeit und Zähigkeit mit einem sehr guten Korrosionsschutz.
Das erfindungsgemäße Verfahren bei welchem die Beschichtung in einem Durchlaufprozess erfolgt, ist besonders zur Fierstellung von crashrelevanten Kraftfahrzeugstrukturbauteilen geeignet, bei denen ein sehr guter Korrosionsschutz und eine sehr hohe Festigkeit in Verbindung mit relativ hoher Duktilität gefordert ist. Dies sind alle Bauteile der Fahrzeugkarosserie die im Bodenbereich liegen, also einer hohen Korrosionsbelastung ausgesetzt sind und/oder die im Crashfall ein hohes Widerstandsmoment bereit stellen sollen ohne zu versagen. Hierbei handelt es sich um Bauteile die einer Knick- oder Biegebelastung ausgesetzt sind. Typische erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteile sind Stoßfängerquerträger, A-, B-, C- oder D-Säulen, Karosserieverstärkungen oder Seitenschweller sowie Seitenaufprallträger.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftfahrzeugbauteil aus einem Vergütungsstahl mit einer Beschichtung aus Zink, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergütungsstahl aus einer Stahllegierung besteht, welche neben Eisen (Fe) und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungselemente (Masseanteile der Schmelzanalyse in %) enthält:
Kohlenstoff (C) 0,3 -0,4
Silizium (Si) 0,15-1,0
Mangan (Mn) 0,5 -2,0
Phosphor (P) maximal 0,05
Schwefel (S) maximal 0,01
Stickstoff (N) maximal 0,01
Chrom (Cr) 0,05-1,0
Nickel (Ni) maximal 0,3
Kupfer (Cu) maximal 0,1
Molybdän (Mo) maximal 0,5
Aluminium (AI) maximal 0,1
Niob (Nb) 0,02-0,1
Vanadium (V) maximal 0,06
Titan (Ti) maximal 0,1
Bor (B) 0,001 -0,01 und die Beschichtung eine aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehende Zink- Diffusionsbeschichtung ist.
2. Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1 , Zink, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergütungsstahl aus einer Stahllegierung besteht, welche neben Eisen (Fe) und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungselemente (Masseanteile der Schmelzanalyse in %) enthält:
Kohlenstoff (C) 0,32 - 0,38
Silizium (Si) 0,2-0,50
Mangan (Mn) 0,8 -1,5
Phosphor (P) maximal 0,02
Schwefel (S) maximal 0,005
Stickstoff (N) maximal 0,005
Chrom (Cr): 0,1 -0,5
Nickel (Ni) maximal 0,1
Kupfer (Cu) maximal 0,05
Molybdän (Mo) maximal 0,3
Aluminium (AI) maximal 0,06 Niob (Nb) 0,02-0,06
Vanadium (V) maximal 0,05
Titan (Ti) maximal 0,01
Bor (B) 0,001 -0,005.
3. Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest bereichsweise gehärtet, insbesondere pressgehärtet, ist.
4. Kraftfahrzeugbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Bereiche mit unterschiedlichen Wanddicken aufweist.
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