DE102016108836B4

DE102016108836B4 - Kraftfahrzeugbauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102016108836B4
Application number: DE102016108836.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Holzweissig; Georg Frost; Rüdiger Erhardt
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2036-05-13
Also published as: CN107365897A; DE102016108836A1; CN107365897B; US11519047B2; US20170327917A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils (6) mit zumindest bereichsweise hochfesten und zugleich duktilen Eigenschaften, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:- Bereitstellen einer Blechplatine (2) aus einer härtbaren Stahllegierung mit mind. 0,25% Kohlenstoffanteil,- Zumindest partielles Erwärmen der Blechplatine (2) auf über Austenitisierungstemperatur, in weniger als 20s,- Warmumformen und Presshärten der Blechplatine (3),- dabei Einstellen einer Zugfestigkeit Rm größer 1800MPa und einer Bruchdehnung A20 größer 6%.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeugbauteil gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 13.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kraftfahrzeugbauteile als Blechumformbauteile herzustellen. Hierzu werden Platinen aus einer Stahllegierung oder auch aus einer Leichtmetalllegierung bereitgestellt und derart umformtechnisch bearbeitet, dass ein dreidimensional geformtes Kraftfahrzeugbauteil erhalten wird. Ein solches Kraftfahrzeugbauteil wird beispielsweise in einer selbsttragenden Karosserie als Strukturbauteil eingesetzt. Es kann jedoch auch angeschraubt werden, beispielsweise als Querträger, Türaufprallträger, Crashbox oder dergleichen.
Im Stand der Technik ist ferner die Warmumform- und Presshärtetechnologie bekannt. Hierzu wird eine Platine aus einer härtbaren Stahllegierung zumindest bereichsweise auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt. In diesem warmen Zustand wird die Platine dann umgeformt, wobei durch die Warmumformung hohe Formgebungsfreiheitsgrade möglich sind.
Anschließend wird das umgeformte Kraftfahrzeugbauteil derart rasch abgekühlt, dass das Werkstoffgefüge gehärtet wird und somit hochfeste oder gar höchstfeste Eigenschaften eingestellt werden. Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist jedoch, dass ein Material mit einer hohen eingestellten Härte gleichzeitig auch spröde ist. Hier ist es mitunter wünschenswert, dass das Bauteil duktile Eigenschaften aufweist, um somit im Falle eines Kraftfahrzeugcrashes beispielsweise nicht zu brechen oder abzureißen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2010 003 997 A1 bekannt.
Mögliche Zugfestigkeiten, die mit der Warmumformung und Presshärtung erreicht werden, liegen bei 1000 bis 1650 MPa. Solch hergestellte Bauteile sind beispielsweise aus der DE 10 2011 057 007 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik eine Möglichkeit aufzuzeigen, ein Kraftfahrzeugbauteil mit einer höheren Härte, zugleich jedoch duktilen Werkstoffeigenschaften herzustellen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Ein gegenständlicher Teil der Aufgabe wird bei einem Kraftfahrzeugbauteil mit den Merkmalen von Patentanspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Demnach zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils mit zumindest bereichsweise hochfesten und zugleich duktilen Eigenschaften durch folgende Verfahrensschritte aus:

- Bereitstellen einer Blechplatine aus eine härtbaren Stahllegierung mit mind. 0,25% Kohlenstoffanteil,
- Zumindest partielles Erwärmen der Blechplatine auf über Austenitisierungstemperatur, in weniger als 20s,
- Warmumformen und Presshärten der Blechplatine,
- dabei Einstellen einer Zugfestigkeit Rm größer 1800MPa und einer Bruchdehnung A20 größer 6%.

Das Bauteil kann somit zumindest partiell erwärmt werden, so dass die partiell auf über Austenitisierungstemperatur erwärmten Bereiche des Bauteils entsprechend mit oben genannten Eigenschaften gehärtet werden. Bevorzugt ist jedoch im Sinne der Erfindung ein vollständiges homogenes Austenitisieren mit anschließendem Härten möglich. Die Blechplatine weist bevorzugt eine Wandstärke von 0,5 mm bis 5,0 mm, insbesondere von 1,0 mm bis 4,0 mm auf.
Es hat sich herausgestellt, dass durch eine kurzzeitige Austenitisierung von höher kohlenstoffhaltigen Mangan-Bor-Stählen und anschließendem Presshärten nicht nur die Härte sondern gleichzeitig auch die Duktilität im gehärteten Zustand erhöht werden kann. Voraussetzung dafür ist eine besonders schnelle Erwärmung, die insbesondere mit einem Gradienten bzw. Aufheizrate größer gleich 100°C/Sekunde, bevorzugt größer 200°C/Sekunde erfolgt sowie geringen Haltezeiten dieser Temperatur in einem entsprechenden Heizwerkzeug. Die Erwärmung erfolgt auf größer AC3, insbesondere größer 800°C, bevorzugt größer 850°C, besonders bevorzugt größer 900°C. Besonders bevorzugt wird die Erwärmung mittels Kontakterwärmung durchgeführt. Hierzu kann beispielsweise eine Temperierstation vorgesehen sein, die Kontakterwärmungsplatten aufweist.
Durch eine Erwärmungszeit, Haltezeit und Transferzeit, bis zum Beginn der Warmformung von insgesamt weniger als 30 Sekunden, insbesondere weniger als 25 Sekunden, bevorzugt weniger als 20 Sekunden und die damit verbundene kurzzeitige Austenitisierung entstehen nachfolgende Vorteile. Es entstehen kleine Austenitkörner sowie im Ausgangszustand vorhandene Zementite oder andersartige Karbide können nicht vollständig gelöst werden. Die kleinen Austenitkörner sowie die nicht gelösten Zementite und/oder Karbide sorgen bei der Rückumwandlung während des Härtens für ein feines resultierendes Gefüge, dass eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität aufweist.
Somit ist es besonders bevorzugt möglich die Erwärmung auf über Austenitisierungstemperatur in weniger als 20 Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden und besonders bevorzugt weniger als 8 Sekunden und ganz besonders bevorzugt weniger als 6 Sekunden durchzuführen. Weiterhin wird besonders bevorzugt die Haltezeit der Erwärmungstemperatur bzw. Austenitisierungstemperatur in weniger als 20 Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden und bevorzugt weniger als 5 Sekunden realisiert. Weiterhin bevorzugt wird auch eine kurze Transferzeit durchgeführt. Besonders bevorzugt beträgt der Zeitraum der Transferzeit weniger als 5 Sekunden. Von Beginn der Erwärmung bis zum Abschluss des Transfers und Beginn der Warmformung vergehen bevorzugt weniger als 20 Sekunden.
Im Sinne der Erfindung ist es jedoch auch möglich die bereitgestellte Blechplatine zunächst kalt vorzuformen. Es entsteht dabei eine Vorform. Die gesamten in dieser Beschreibung genannten Schritte zum schnellen Erwärmen, Transfer und Warmumformen und Presshärten der Blechplatine können dann mit der Vorform durchgeführt werden.
Das so durch Presshärten hergestellte Kraftfahrzeugbauteil kann dann eine Zugfestigkeit Rm größer 1800 MPa, insbesondere größer 1900 MPa und bevorzugt größer 2000 MPa aufweisen. Die Zugfestigkeit sollte bei einer technisch realisierbaren Obergrenze gedeckelt sein. Diese beträgt vorzugsweise maximal 2500 MPa. Gleichzeitig weist das Bauteil in den zuvor genannten gehärteten Bauteilen jedoch eine Bruchdehnung A20 größer 6%, bevorzugt größer 8% insbesondere größer 10% auf. Auch die Bruchdehnung A20 sollte bei einer technisch realisierbaren Größenordnung gedeckelt sein, dies ist bevorzugt eine Bruchdehnung A20 von 20%.
Die Blechplatine kann auch zunächst vorbeschichtet sein, beispielsweise mit einer AISi-Beschichtung oder einer Zinkbeschichtung. Weiterhin bevorzugt ist die Beschichtung vor dem Erwärmen bereits durchlegiert.
Durch die Kontakterwärmung ist es insbesondere möglich die kurze Aufwärmzeit und auch die kurze Haltezeit zu realisieren. Es ist jedoch auch insbesondere möglich durch eine Kontakterwärmung möglich die Platine partiell unterschiedlich zu temperieren, so dass beispielsweise Bereiche erster Art schnell auf über Austenitisierungstemperatur gebracht werden, wohingegen Bereiche zweiter Art gar nicht oder kleiner der Austenitisierungstemperatur erwärmt werden. Ein scharf berandetes Temperaturprofil kann in kürzester Zeit erzeugt werden.
Somit ist es beispielsweise möglich, dass nicht das komplette Kraftfahrzeugbauteil gehärtet ist, was jedoch auch eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante der Erfindung darstellt. Es ist darüber hinaus möglich, dass Kraftfahrzeugbauteil nur in Bereichen mit hohen zu erwartenden Belastungen zu härten.
Bei dem Verfahren, welches in den vorgenannten Parametern durchführbar ist, wird insbesondere eine härtbare Stahllegierung mit einem Kohlenstoffanteil größer 0,25% ausgedrückt in Gewichtsprozent verwendet. Die Stahllegierung kann weitere Legierungsbestandteile aufweisen sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Besonders bevorzugt wird ein Kohlenstoffanteil größer 0,30%, insbesondere größer 0,35% verwendet. Der Kohlenstoffanteil sollte auch hier technisch bei bevorzugt kleiner 1,0%, insbesondere kleiner 0,50% nach oben hin begrenzt sein. Besonders bevorzugt wird beispielsweise ein Stahl der Bezeichnung 38MnB5 oder auch ein 42MnB5 verwendet.
Weiterhin besonders bevorzugt weist das gehärtete Werkstoffgefüge neben einem Großteil Martensit, 5,0 bis 20,0 % Bainit auf. Bei der Wärmebehandlung entstehende Restgefügebestandteile sind dabei zu vernachlässigen. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass in den Teilbereichen in denen besonders wenige Zementite und/oder Karbide gelöst wurden, während der Härtung anstatt von Martensit, Bainit entsteht. Insbesondere der Bainitanteil wirkt sich positiv auf die Duktilität des Werkstoffes aus.
Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, das gehärtete Kraftfahrzeugbauteil nochmals partiell wärmenachzubehandeln. Beispielsweise kann dies ein partielles Anlassen sein.
Weiterhin besonders bevorzugt wird nicht nur eine einlagige Blechplatine aus einer Stahllegierung verarbeitet sondern eine mehrlagige Blechplatine. Dies ist insbesondere eine dreilagige Blechplatine. Eine mittlere Lage ist dabei aus einer zuvor benannten härtbaren Stahllegierung mit mindestens 0,25% Kohlenstoffanteil ausgebildet. Diese wird oberseitig und unterseitig mithin jeweils außenliegend mit einer in Relation dünneren Lage aus einer rostfreien Stahllegierung ausgebildet. Dies wirkt sich besonders bevorzugt auf die Langlebigkeit des Bauteils aus, da die rostfreie Außenlage vor entsprechender Verzunderung bzw. Rostbildung schützt. Die Lagen sind bevorzugt, bereits im bereitgestellten Zustand der mehrlagigen Blechplatine miteinander verbunden. Die außenliegenden Lagen weisen bevorzugt jeweils eine Dicke zwischen 3 und 2% der mittleren Lage auf.

Als rostfreie Edelstahllegierung für die äußeren Lagen hat sich besonders vorteilhaft die Verwendung einer ferritisch rostfreien Edelstahllegierung erwiesen, die neben erzschmelzenbedingten Verunreinigungen und Eisen folgende Legierungsbestanteile in Gewichtsprozent umfasst:

Kohlenstoff (C):	0,08 % bis 0,16 %
Silizium (Si):	0,5 % bis 1,8 %
Mangan (Mn):	0,8 % bis 1,4 %
Chrom (Cr):	13,0 % bis 22,0 %
Aluminium (Al):	0,5 % bis 1,5 %
Phosphor (P):	maximal 0,06 %
Schwefel (S):	maximal 0,02 %.

Weiterhin sei hiermit bezüglich weiterer verwendbarer ferritischer Stahllegierungen auf den Inhalt der EN 10088-1 referenziert, mit Chromgehalten je nach Sorte zwischen 10,5 bis 30 %. Zur Gewährleistung der Schweißbarkeit dienen Stabilisierungszusätze von weniger als 0,5% von Titan, Niob oder Zirkon sowie der auf 0,16 % begrenzte Kohlenstoffgehalt. Der ferritische Edelstahl hat sich dabei in Verbindung mit dem höher kohlenstoffhaltigen Mangan-Bor-Stahl als besonders vorteilig bei der Warmumformung und dem anschließenden Presshärten erwiesen. Bauteilverzug sowie innere Spannungen werden bei dieser Werkstoffkombination vermieden.
Weiterhin ist es möglich an dem hergestellten Kraftfahrzeugbauteil eine Randentkohlung durchzuführen. Hierbei wird der Kohlenstoff im Randbereich teilweise oder vollständig entzogen. Insbesondere wird die Randentkohlung in einer Randzone zwischen 5 und 150 µm, gemessen von der Oberfläche, durchgeführt. Hierdurch erhöht sich der Biegewinkel des hergestellten Bauteils. Insbesondere beträgt der Biegewinkel am fertigen Kraftfahrzeugbauteil nach entsprechender Randentkohlung mindestens 50°, bevorzugt mindestens 60°.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeugbauteil, welches mit einem vorbenannten Verfahren hergestellt ist. Das Kraftfahrzeugbauteil ist aus einer Blechplatine mittels Umformen hergestellt worden. Es weist partiell, insbesondere vollständig, eine Zugfestigkeit größer 1800 MPa und eine Bruchdehnung A20 größer 6% auf. Das Kraftfahrzeugbauteil ist aus einer härtbaren Stahllegierung mit einem Kohlenstoffanteil größer 0,25% hergestellt. Es besitzt nach Abschluss des Härteprozesses zumindest partiell, bevorzugt vollständig ein im Wesentlichen martensitisches Werkstoffgefüge mit einem Anteil Bainit von 5,0% bis 20,0%.
Bei dem Kraftfahrzeugbauteil handelt es sich um ein Bauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie oder auch ein entsprechendes Bauteil, was an einer Kraftfahrzeugkarosserie festgelegt wird. Diese sind insbesondere Schweller, Querträger, Längsträger, Crashboxen, Dachholme, Getriebetunnel, Kraftfahrzeugsäulen. Es kann jedoch auch eine Feuerschutzwand, ein Batteriehalter, ein Unterboden oder ein sonstiges Kraftfahrzeugblechbauteil sein. Auch können Achsbauteile oder Fahrwerkbauteile mit dem Verfahren hergestellt sein.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

1 eine Fertigungslinie zum erfindungsgemäßen Herstellen eines Kraftfahrzeugbauteils,
2 eine mehrlagige Blechplatine und
3 ein Zeit-Temperaturdiagramm mit der Aufwärmphase, der Haltephase sowie der Presshärtephase.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Fertigungslinie 1 zur Durchführung des Verfahrens. Zunächst wird eine Blechplatine 2 bereitgestellt, die in einer Kontaktwärmestation 4 zumindest partiell, insbesondere vollständig auf über Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Die so erwärmte Blechplatine 3 wird dann in eine Umformstation 5 überführt und hier zu einem Kraftfahrzeugbauteil 6 warm umgeformt und pressgehärtet. Optional kann die Blechplatine 3 zunächst zu einer Vorform 9, insbesondere kalt vorgeformt werden. Die Vorform 9 wird dann gemäß den zuvor beschriebenen Verfahren erwärmt und weiter warmgeformt und pressgehärtet.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einer dreilagigen Blechplatine 2. Eine mittlere Lage 7 ist aus einer härtbaren Stahllegierung ausgebildet, die mindestens 0,25% Kohlenstoffanteil ausgedrückt in Gewichtsprozent aufweist. Zwei jeweils äußere Lagen 8 sind hingegen aus einer nicht rostenden bzw. rostfreien Stahllegierung, insbesondere einer Edelstahllegierung ausgebildet.
In 3 ist ein Zeit-Temperaturdiagramm dargestellt. Auf der Y-Achse ist die Temperatur dargestellt und auf der X-Achse die Zeit. Zu erkennen ist, dass in einer Aufwärmzeit vom Zeitpunkt S0 bis zum Zeitpunkt S1 die Blechplatine auf über AC3 Temperatur erwärmt wird, bevorzugt in weniger als 10 Sekunden. In einer Haltezeit vom Zeitpunkt S1 bis S2 wird dann die Erwärmungstemperatur gehalten. Die Haltephase ist bevorzugt kleiner 5 Sekunden und kann insbesondere auch gegen 0 Sekunden gehen. Ferner dargestellt ist eine Transferphase vom Zeitpunkt S2 bis zum Zeitpunkt S3, in der die erwärmte Blechplatine von der Temperierstation in das Warmumform- und Presshärtewerkzeug transferiert wird. Auch diese wird bevorzugt in weniger als 10 Sekunden, insbesondere weniger als 5 Sekunden durchgeführt. Im Bereich von dem Zeitpunkt S3 findet die Umformung statt. Nach erfolgter Umformung wird das Abschreckhärten durchgeführt, so dass von Zeitpunkt S3 bis S4 die Temperatur wiederum stark abnimmt. Bevorzugt ist die Zeitdauer von S0 bis S3, mithin Erwärmen, optionales Halten sowie Transferzeit in weniger als 30 Sekunden, insbesondere in weniger als 20 Sekunden durchgeführt.
Bezugszeichenliste

1 -: Fertigungslinie
2 -: Blechplatine
3 -: erwärmte Blechplatine
4 -: Kontakterwärmstation
5 -: Umformstation
6 -: Kraftfahrzeugbauteil
7 -: mittlere Lage
8 -: äußere Lage
9 -: Vorform

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils (6) mit zumindest bereichsweise hochfesten und zugleich duktilen Eigenschaften, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Bereitstellen einer Blechplatine (2) aus einer härtbaren Stahllegierung mit mind. 0,25% Kohlenstoffanteil, - Zumindest partielles Erwärmen der Blechplatine (2) auf über Austenitisierungstemperatur, in weniger als 20s, - Warmumformen und Presshärten der Blechplatine (3), - dabei Einstellen einer Zugfestigkeit Rm größer 1800MPa und einer Bruchdehnung A20 größer 6%.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zugfestigkeit Rm größer 1800MPa, insbesondere größer 1900MPa, bevorzugt größer 2000MPa eingestellt wird und/oder dass eine Bruchdehnung A20 größer 8%, insbesondere größer 10%, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stahllegierung mit einem Kohlenstoffanteil größer 0,3%, insbesondere größer 0,35%, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung in weniger als 10s, bevorzugt in weniger als 8s durchgeführt wird und/oder dass eine Haltezeit der erwärmten Blechplatine (3) auf der Erwärmungstemperatur kleiner 20s, insbesondere kleiner 10s ist und/oder dass eine Transferzeit in weniger als 10s, insbesondere weniger als 5s, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mit einem Gradienten größer 100°C/s, insbesondere größer 200°C/s, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Presshärten ein martensitisches Werkstoffgefüge mit 5,0% bis 20,0% Bainit eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mittels Kontakterwärmung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechplatine (2) vollständig erwärmt und das umgeformte Kraftfahrzeugbauteil (6) gehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeformte Kraftfahrzeugbauteil (6) nur in Bereichen mit hohen zu erwartenden Belastungen gehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Kraftfahrzeugbauteil (6) zumindest partiell wärmenachbehandelt wird oder dass die Blechplatine (2) vor dem Erwärmen zu einer Vorform (9) vorgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechplatine (2) mehrlagig ausgebildet ist, insbesondere dreilagig, wobei eine in der Mitte liegende Lage (7) aus der härtbaren Stahllegierung ausgebildet ist und die zwei außenliegenden Lagen (8) aus einer rostfreien Stahllegierung ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem hergestellten Kraftfahrzeugbauteil (6) eine Randentkohlung durchgeführt wird, insbesondere in einer Randzone von 5 bis 150 µm, gemessen von der Oberfläche.
Kraftfahrzeugbauteil (6), hergestellt aus einer Blechplatine (2), mit einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeugbauteil (6) eine Zugfestigkeit Rm größer 1800 MPa und eine Bruchdehnung A20 größer 6% aufweist und das Kraftfahrzeugbauteil (6) aus einer härtbaren Stahllegierung mit einem Kohlenstoffanteil größer 0,25% hergestellt ist und ein im Wesentlichen martensitisches Werkstoffgefüge mit einem Anteil Bainit von 5,0% bis 20,0% aufweist.