EP3827103B1

EP3827103B1 - Verfahren zur herstellung eines gehärteten stahlprodukts

Info

Publication number: EP3827103B1
Application number: EP19749593.0A
Authority: EP
Inventors: Stefan Pohl; Elisabeth Danger; Thorsten LABUDDE; Jürgen Butzkamm
Original assignee: Muhr und Bender KG
Current assignee: Muhr und Bender KG
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2025-08-20
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: EP3827103A1; WO2020020644A1; DE102018118015A1; US20210301364A1; CN112567054A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten gehärteten Stahlprodukten, insbesondere zur Verwendung als Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs.
Es ist bekannt, metallische Bauteile zum Korrosionsschutz zu beschichten sowie diese mittels Warmumformen zu Formteilen umzuformen. Für sicherheitsrelevante Karosseriebauteile von Kraftfahrzeugen werden in der Praxis beispielsweise Aluminium-Silizium-beschichtete hochfeste sowie ultrahochfeste Vergütungsstähle, im Speziellen mangan-borhaltige Vergütungsstähle wie beispielsweise 22MnB5 oder 34MnB5 eingesetzt.
Beispielsweise ist aus der WO 2009/090555 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines heißgestanzten beschichteten Stahlabschnitts bekannt, mit den Schritten: Vorbeschichten eines Stahlstreifens mit Aluminium oder Aluminiumlegierung durch Schmelztauchen, wobei die Dicke der Vorbeschichtung 20 bis 33 Mikrometer auf jeder Seite aufweist, Schneiden des vorbeschichteten Stahlstreifens zu einem Stahlabschnitt, Heizen des Stahlabschnitts in einem Ofen, Übertragen des aufgeheizten Stahlabschnitts in ein Presswerkzeug, Heißstanzen des Stahlabschnitts im Presswerkzeug, und Abkühlen des Stahlabschnitts.
Aus der DE 10 2007 019 196 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen von flexibel gewalztem Bandmaterial mit einer kathodischen Korrosionsschutzschicht bekannt. Das Beschichten des Bandmaterials erfolgt bei erhöhter Bandtemperatur in einem Zinkpott (hot dipped galvanized steel). Die Zinkbeschichtung wird im gleichen Verhältnis abgewalzt, wie die eigentliche Banddicke, wobei eine Beschichtungsenddicke nach dem Flexiblen Walzen von größer gleich 7,5 Mikrometer angestrebt wird.
Aus der EP 3 181 248 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Blechplatine bekannt, bei dem ein Bandmaterial mit einem Solldickenprofil für hieraus auszuschneidende Blechplatinen flexibel gewalzt wird. Die Platinen werden in Abhängigkeit von zumindest zwei hintereinander liegenden Bereichen eines generierten Messdickenprofils ausgeschnitten. Es wird beschrieben, dass das Bandmaterial vor oder nach dem Flexiblen Walzen beschichtet werden kann, wobei ein Beschichten vor dem Flexiblen Walzen zu einer unterschiedlichen Beschichtungsdicke über der Länge führt.
Aus der US 2018/142 337 A1 ist die Herstellung eines warmumgeformten Bauteils bekannt, das nach dem Warmumformen eine Diffusionsschicht mit einer Dicke von 2 bis 40 Mikrometern, vorzugsweise von 2 bis 10 Mikrometern aufweist.
Aus der Veröffentlichung Widmann M. et al.: "Formation of intermetallic phases in Alcoated hot-stamped 22MnB5 sheets in terms of coating thickness and Si content" ist ein 22MnB5-Vergütungsstahl bekannt, der mit einer AS31405110-Beschichtung mit einer Dicke von 24 bis 35 Mikrometern versehen wird.
Aus der WO 2008/113426 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Blechbauteils bekannt, wobei ein Warm- oder Kaltband schmelztauchbeschichtet oder elektrolytisch beschichtet wird und anschließend einem flexiblen Walzprozess unterzogen wird. Beim flexiblen Walzprozess werden durch unterschiedliche Walzdrücke unterschiedliche Blechdicken des flexibel gewalzten Stahlbandes hergestellt. Abgestimmt auf die Blechdicke nach dem flexiblen Walzen wird die Beschichtung beim Beschichten unterschiedlich dick ausgebildet, wobei abhängig vom Walzdruck mit steigendem zu erwartenden Walzdruck die Beschichtungsdicke größer ausgebildet wird.
Aus der WO 2006 097 237 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zum Schmelztauchbeschichten von warmgewalztem Stahlband bekannt. Das Stahlband durchläuft eine Beizstation, eine Spülstation, eine Trockenstation, einen Erwärmungsofen und dann ein Schmelzbad. Die Fertigdicke und die Dickentoleranz des schmelztauchbeschichteten Stahlbandes werden durch eine kontrollierte Dickenreduktion in einem Walzgerüst in der Prozesslinie dadurch erreicht, dass die Fertigdicke im Auslauf des Walzgerüstes durch ein Dickenmessgerät kontrolliert und Abweichungen von der Solldicke als Stellsignal auf die Anstellung des Walzgerüstes zurückgeführt wird.
Aus der WO 2016/198186 A1 ist ein Verfahren zur Warmumformung eines Stahlbauteils bekannt. Das Stahlbauteil wird mit einer korrosionsfesten Zunderschutzschicht versehen und vor der Warmumformung erfolgt eine Oberflächenoxidation, in der eine korrosionsfeste Oxidationsschicht auf der Zunderschutzschicht gebildet wird.
Aus der EP 3 489 386 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Bauteils aus einem beschichteten Stahlsubstrat bekannt. Es wird eine erste Beschichtung mit mindestens 85 Gewichtsprozenten Aluminium mit einer Dicke zwischen 5 und 50 Mikrometern, vorzugsweise zwischen 10 und 35 Mikrometern auf das Stahlsubstrat aufgebracht. Anschließend wird auf das beschichtete Stahlsubstrat eine nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung aufgebracht.
Aus der WO 2017/017621 A1 , entsprechend EP 3 329 029 B1 , ist ein Verfahren zur Herstellung eines phosphatierbaren Teils aus einem Stahlblech mit einer metallischen Beschichtung auf Aluminiumbasis bekannt. Es wird ein Stahlblech mit einer Vorbeschichtung versehen, die 4,0 bis 20,0 Gew. % Zink, 1,0 bis 3,5 Gew.% Silizium, optional weitere Legierungselemente mit jeweils weniger als 0,3 Gew.% und Rest Aluminium enthält. Die Beschichtungsdicke beträgt zwischen 5 und 50 Mikrometern. Anschließend wird das beschichtete Stahlblech warmumgeformt.
Aus der EP 2 393 953 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Stahlbauteils durch Warmformen bekannt. Ein aus einem legierten Vergütungsstahl erzeugtes Stahlflachprodukt wird mit einem Aluminium-Überzug aus mindestens 85 Gew.% Aluminium versehen. Anschließend wird das mit Aluminium-Überzug beschichtete Stahlflachprodukt mit einem Zink-Überzug beschichtet, der mindestens 90 % Zink enthält. Es wird ferner eine Deckschicht aufgebracht und dann wird das beschichtete und mit Deckschicht versehene Stahlflachprodukt warmumgeformt.
Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten und gehärteten Bauteils vorzuschlagen, insbesondere als Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, das eine gute Korrosionsschutzbeständigkeit in Bereichen mit unterschiedlichen Dicken aufweist.
Die Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts mit den Schritten: Bereitstellen eines Stahlsubstrats mit einem Basismaterial aus einem härtbaren Stahl; Beschichten des Stahlsubstrats mit einer Aluminium enthaltenden Vorbeschichtung mit mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium, um ein vorbeschichtetes Stahlsubstrat zu erzeugen, wobei die Beschichtung des vorbeschichteten Stahlsubstrats eine Dicke (d1) von mindestens 36 Mikrometern (µm) aufweist; Flexibles Walzen des vorbeschichteten Stahlsubstrats derart, dass aufeinander folgende Abschnitte des vorbeschichteten Stahlsubstrats mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke des Stahlsubstrats (2) unterschiedlich stark ausgewalzt werden, um eine variable Dicke über der Länge des vorbeschichteten Stahlsubstrats zu erzeugen, wobei die Vorbeschichtung nach dem Flexiblen Walzen in dünneren ersten Abschnitten eine reduzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 33 Mikrometern und in dickeren zweiten Abschnitten eine reduzierte zweite Dicke (d2b) von mehr als 33 Mikrometern aufweist, die dicker ist als die reduzierte erste Dicke (d2a); Herausarbeiten einer Platine aus dem flexibel gewalzten Bandmaterial; Erwärmen der Platine derart, dass das Basismaterial der Platine zumindest teilweise austenitisiert wird, wobei durch das Erwärmen Diffusionsprozesse zwischen dem Basismaterial und der Vorbeschichtung stattfinden; Warmumformen der erwärmten Platine, wobei die erwärmte Platine umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahlprodukt mit Beschichtung erzeugt wird, wobei aus der Vorbeschichtung durch das Erwärmen und Warmumformen die Beschichtung gebildet wird, mit einer ersten Enddicke in den dünneren ersten Abschnitten, die größer als die reduzierte erste Dicke ist und zwischen 15 bis 50 Mikrometern beträgt, und mit einer zweiten Enddicke in den dickeren zweiten Abschnitten, die größer als die reduzierte zweite Dicke ist und zwischen 30 bis 60 Mikrometern beträgt.
Ein Vorteil ist, dass das Substrat auch nach dem Flexiblen Walzen eine ausreichend dicke Beschichtung aufweist. Dabei hat sich gezeigt, dass die Beschichtung beim Erwärmen für das nachfolgende Warmumformen aufgrund der Diffusionsprozesse anwächst, so dass die Enddicke der Beschichtung nach dem Warmumformen größer ist als die jeweilige Beschichtungsdicke nach dem Flexiblen Walzen und vor dem Erwärmen für die Warmumformung. Dadurch, dass die Vorbeschichtung eine Dicke von mindestens 36 Mikrometern aufweist, ist die Beschichtung trotz der Dickenreduktion, die sich im Rahmen des Flexiblen Walzens ergibt, aufgrund der nachfolgenden Erwärmung für die Warmumformung auch in den dünneren ersten Abschnitten hinreichend dick, um einen guten Korrosionsschutz zu erreichen. In den dickeren Abschnitten des fertigen Bauteils, die in der Regel höheren Belastungen standhalten müssen, ist auch die Beschichtung entsprechend dicker, so dass diese Abschnitte besonders gut geschützt sind. Insgesamt ergibt sich damit ein belastungsoptimiertes beziehungsweise gewichtsreduziertes Bauteil mit ausgezeichnetem Beschichtungsschutz in allen Dickenbereichen.
Das Stahlsubstrat kann beispielsweise ein härtbarer beziehungsweise vergütbarer, insbesondere manganhaltiger Stahlwerkstoff sein. Dieser kann neben Mangan weitere Mikrolegierungselemente beinhalten. Der Stahlwerkstoff kann beispielsweise folgende Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhalten:

Kohlenstoff (C) mit mindestens 0,15 % und höchstens 0,5 %, insbesondere höchstens 0,4 %;
Mangan (Mn) mit mindestens 0,5 % und höchstens 5,0 %, insbesondere mindestens 0,8 % und höchstens 2,5 %;
Aluminium (AI) mit höchstens 0,1 %;
Silizium (Si) mit mindestens 0,1 % und höchstens 0,9 %, insbesondere höchstens 0,5 %,
Chrom (Cr) mit mindestens 0,01 % und höchstens 1,0 %;
Tital (Ti) mit höchstens 0,02 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Bor (B) mit mindestens 0,0005 und höchstens 0,080 %, insbesondere mindestens 0,002 % und höchstens 0,006 %;
Phosphor (P) mit höchstens 0,1 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Schwefel (S) mit höchstens 0,05 %, insbesondere höchstens 0,01;
optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1,55 % (1550 ppm); den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen.

Als optionale weitere Legierungselemente kann das Substrat jeweils in Gewichtsprozent insbesondere zumindest eines von:

Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %;
Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %;
Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %;
Molybdän (Mo) mit höchstens 1,0 %;
Vanadium (V) mit höchstens 0,25 %;

Beispiele für verwendbare bor-manganhaltige Stahlwerkstoffe sind 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 oder 34MnB5. Das Ausgangsmaterial (Bandmaterial) kann eine Zugfestigkeit von beispielsweise mindestens 450 MPa aufweisen. Ein aus dem beschichteten Stahlsubstrat hergestelltes Formteil kann eine Endzugfestigkeit von beispielsweise mindestens 1100 MPa, insbesondere mindestens 1500 MPa aufweisen. Es ist auch möglich, dass bestimmte Teilbereiche des Formteils, wo erforderlich, auf eine niedrigere Zugfestigkeit von weniger als 1100 MPa und dafür höherer Duktilität eingestellt werden. Das Stahlsubstrat kann eine Anfangsdicke von beispielsweise zwischen 1,0 und 4,0 mm aufweisen.
Die Beschichtung enthält zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium, was die Möglichkeit der Verwendung einer reinen Aluminium-Beschichtung (100 Gew.% Al) mit umfasst, ebenso wie die Verwendung einer Legierung, die als Hauptlegierungsbestandteil Aluminium mit mindestens 85 Gewichtsprozent und optional weitere Legierungsbestandteile enthält, beispielsweise Silizium mit beispielsweise zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent und/oder Eisen mit bis zu 5 Gewichtsprozent und/oder ein oder mehrere andere Legierungselemente in geringeren Anteilen. Der Anteil der anderen Legierungselemente, beispielsweise zumindest eines aus der Gruppe von Mn, Cr, Ti, B, P, S, Cu, Ni, Nb, Mo, V, kann zusammen beispielsweise bis zu 1,5 Gewichtsprozent betragen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird aufgrund des Hauptbestandteils Aluminium allgemein auch die Bezeichnung Aluminium-Beschichtung oder Aluminium-basierte Beschichtung verwendet, womit die genannten Möglichkeiten anderer. Legierungszusammensetzungen begrifflich mit umfasst sein sollen. Die Aluminium-Beschichtung kann beispielsweise im Schmelztauchverfahren in einem Schmelzbad mit mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium und gegebenenfalls weiteren Legierungsbestandteilen oder anderen üblichen Beschichtungsverfahren auf das Stahlsubstrat aufgetragen werden. Eine beispielhafte Zusammensetzung des Schmelzbads beziehungsweise der aufgebrachten Beschichtung kann bis zu 3 Gewichtsprozent Eisen, 9 bis 12 Gewichtsprozent Silizium, optional ein oder mehrere weitere Legierungselemente mit zusammen bis zu 1,5 Gewichtsprozent, und Rest Aluminium enthalten. Es versteht sich, dass ferner unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sein können.
Die Vorbeschichtung wird mit einer Dicke (d1) von mindestens 36 Mikrometern, insbesondere mindestens 40 Mikrometern auf das Stahlsubstrat aufgebracht. Das so vorbeschichtete Stahlsubstrat bildet die Grundlage für ein hieraus herzustellendes gehärtetes Bauteil mit variablen Dicken. Das Beschichten des Stahlsubstrats kann beispielsweise mittels Schmelztauchbeschichtung aufgebracht werden, wobei das Stahlsubstrat in ein Becken mit geschmolzenem Beschichtungsmaterial getaucht wird. Es versteht sich, dass andere bekannte Beschichtungsverfahren ebenso verwendet werden können.
Das vorbeschichtete Stahlsubstrat wird nach dem Vorbeschichten flexibel gewalzt, wobei es sich versteht, dass weitere Schritte, wie Erwärmen, zum Coil auf- beziehungsweise vom Coil abwickeln, richten, reinigen oder dergleichen zwischengeschaltet sein können. Optional kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Stahlsubstrat nach dem Aufbringen der Vorbeschichtung in der Beschichtungsanlage erwärmt wird, um ein Vordiffundieren zwischen der Vorbeschichtung und dem Stahlsubstrat zu erreichen. Das Erwärmen zum Vordiffundieren wird bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials durchgeführt, beispielsweise in einem Temperaturfenster zwischen dem 0,5-fachen und 0,9-fachen der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials. Durch die Vordiffusion bildet sich schon im Rahmen des Beschichtungsprozesses eine dickere Interdiffusionszone zwischen dem Grundmaterial des Stahlsubstrats und dem Beschichtungsmaterial aus. Dies ermöglicht es, das Erwärmen im Rahmen der Warmumformung schneller durchzuführen, was sich insgesamt günstig auf die Taktzeiten bei der Warmumformung auswirkt.
Beim Flexiblen Walzen wird Bandmaterial mit im Wesentlichen einheitlicher Blechdicke durch Verändern des Walzspalts während des Prozesses zu Bandmaterial mit variabler Blechdicke über der Länge ausgewalzt. Die durch das Flexible Walzen erzeugten Abschnitte unterschiedlicher Dicke erstrecken sich quer zur Längsrichtung beziehungsweise Walzrichtung des Bandmaterials. Das Bandmaterial kann nach dem Flexiblen Walzen auf einfache Weise wieder zum Coil aufgewickelt werden und an anderer Stelle der Weiterverarbeitung zugeführt werden, oder es kann direkt weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Ablängen des Bandmaterials zu einzelnen Blechelementen.
Das Flexible Walzen wird mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke (d1) des vorbeschichten Stahlsubstrats durchgeführt, insbesondere mit Abwalzgraden zwischen 3 % und 55 %. Durch das Flexible Walzen wird mit dem Stahlsubstrat auch die Dicke der Vorbeschichtung entsprechend reduziert. Dabei kann die Vorbeschichtung nach dem Flexiblen Walzen in dünneren ersten Abschnitten insbesondere eine reduzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 20 Mikrometern aufweisen. Alternativ oder in Ergänzung wird das Flexible Walzen so durchgeführt, dass die Vorbeschichtung nach dem Flexiblen Walzen in dickeren zweiten Abschnitten eine reduzierte zweite Dicke (d2b) von mehr als 33 Mikrometern aufweist, insbesondere von mehr als 36 Mikrometern, Es versteht sich, dass zwischen dünnsten Abschnitten und dicksten Abschnitten des Bandmaterials, je nach gewünschter Bauteilgeometrie, noch beliebig andere Dickenbereiche beziehungsweise Übergangsbereiche dazwischenliegen können.
In einem dem Flexiblen Walzen nachgelagerten Verfahrensschritt werden aus dem flexibel gewalzten Bandmaterial Platinen erzeugt. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Vereinzeln bezeichnet. Das Vereinzeln kann durch mechanisches Schneiden oder mittels Laserschneiden durchgeführt werden. Die Bezeichnung Platinen soll im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sowohl rechteckige Blechtafeln, die aus dem Bandmaterial herausgetrennt worden sind, als auch Formschnitte mit umfasst sein. Formschnitte sind aus dem Bandmaterial herausgearbeitete Blechelemente, deren Außenkontur an die Form des Endprodukts bereits angepasst ist.
Die Blechplatinen werden nach dem Vereinzeln warmumgeformt, wobei gegebenenfalls weitere Verfahrensschritte zwischengeschaltet sein können. Zum Warmumformen wird die Platine zumindest in einem Teilbereich auf Austenitisierungstemperatur erwärmt; anschließend in ein Warmformwerkzeug eingelegt und im Warmformwerkzeug umgeformt und schnell abgekühlt, so dass ein gehärtetes Formteil entsteht. Das Erwärmen wird in einer geeigneten Wärmeeinrichtung, beispielsweise in einem Durchlaufofen vorgenommen. Mit Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur ist ein Temperaturbereich gemeint, bei dem zumindest eine Teilaustenitisierung erfolgt beziehungsweise vorliegt, also eine Gefügestruktur im Zweiphasengebiet Ferrit und Austenit. Hierfür wird die Platine auf eine Temperatur oberhalb Ac1, das heißt der Temperatur, bei der die Bildung von Austenit beginnt, erwärmt. Beispielsweise kann die Platine auf eine Temperatur von über 880°C und/oder bis zu 960°C erwärmt werden. Nach einer möglichen Ausführung wird die Platine zum Austenitisieren zumindest bis zum Erreichen einer Temperatur von 700°C mit einer Aufheizrate von mehr als 12 K/sec erwärmt. Durch ein schnelles Aufheizen wird die Herstellungszeit reduziert. Nach dem Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur und Einlegen in das Warmformwerkzeug wird die Platine umgeformt und schnell abgekühlt. Durch das schnelle Abkühlen des Formteils im Umformwerkzeug wird eine gehärtete, zumindest teilweise martensitische Gefügestruktur im Bauteil erzeugt. Dieser Prozess des Warmumformens und schnellen Abkühlen in einem Umformwerkzeug wird auch als Presshärten bezeichnet.
Durch das Erwärmen und Warmumformen wird aus der Vorbeschichtung und dem darunter liegenden Stahlsubstrat die Beschichtung gebildet, die aufgrund von Diffusionsprozessen gegenüber der Dicke der Vorbeschichtung anwächst. Dabei wird die erste Enddicke in den dünneren ersten Abschnitten des fertigen Bauteils mit mehr als 15 Mikrometern, insbesondere mehr als 20 Mikrometern gebildet, und weniger als 50 Mikrometern, insbesondere weniger als 40 Mikrometern gebildet. In den dickeren zweiten Abschnitten weist die Beschichtung nach dem Warmumformen eine zweite Enddicke von weniger als 60 Mikrometern, insbesondere weniger als 50 Mikrometer, und mehr als 30 Mikrometern, insbesondere mehr als 35 Mikrometern auf.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Beschichtung in den dünneren Bereichen in Rahmen der Warmumformung stärker anwächst als in dickeren Bereichen. Insbesondere wird die Beschichtung mit einem Enddickenverhältnis (d3a/d3b) der ersten Enddicke (d3a) zur zweiten Enddicke (d3b) gebildet, das größer ist, als ein Zwischendickenverhältnis (d2a/d2b) der reduzierten ersten Dicke (d2a) zur reduzierten zweiten Dicke (d2b). Auf diese Weise gleichen sich die unterschiedlichen Beschichtungsdicken insgesamt in vorteilhafter Weise aneinander an, so dass insgesamt ein guter Korrosionsschutz in allen Abschnitten des Bauteils erreicht wird.
Das Warmumformen kann nach einer ersten Möglichkeit als indirekter Prozess durchgeführt werden, der die Teilschritte Kaltvorformen, anschließendes Erwärmen des kalt vorgeformten Bauteils auf Austenitisierungstemperatur sowie anschließendes Warmumformen zur Erzeugung der Endkontur des Erzeugnisses umfasst. Das Warmumformen kann nach einer zweiten Möglichkeit auch als direkter Prozess durchgeführt werden, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil direkt auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend zur gewünschten Endkontur in einem Schritt warmumgeformt wird. Ein vorhergehendes (kaltes) Vorformen findet hier nicht statt.
Nach einer möglichen Ausführungsform kann die Beschichtung vor dem Umformen im Umformwerkzeug so hergestellt werden, dass auf der Oberfläche eine Metalloxidschicht ausgebildet wird. Eine Metalloxidschicht ist korrosionsfest und reaktionsträge, so dass ein Werkzeugverschleiß im Rahmen des Umformens reduziert wird. Sofern eine Metalloxidschicht auf der Beschichtungsoberfläche ausgebildet ist, beziehen sich die in der vorliegenden Offenbarung für den Zustand nach dem Warmumformen angegebenen Schichtdicken auf die Gesamtbeschichtungsdicke, also inklusive Oxidschicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt

Figur 1: schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines beschichteten, gehärteten Formteils;
Figur 2A: einen Ausschnitt des beschichteten Stahlsubstrat nach dem Vorbeschichten in vergrößerter schematischer Darstellung;
Figur 2B: einen Ausschnitt des beschichteten Stahlsubstrat nach dem Flexiblen Walzen in vergrößerter schematischer Darstellung; und
Figur 2C: einen Ausschnitt des beschichteten und flexibel gewalzten Stahlsubstrats nach dem Warmumformen in vergrößerter schematischer Darstellung.

Die Figuren 1 und 2A bis 2C werden nachstehend gemeinsam beschrieben.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Erzeugnisses aus einem beschichteten Stahlsubstrat 2. Das Stahlsubstrat wird in Bandform auch als Stahlband oder allgemein als Bandmaterial bezeichnet. In vereinzeltem Zustand wird das Stahlsubstrat auch als Platine bezeichnet.
Als Stahlsubstrat 2 ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein härtbares Stahlflachprodukt mit umfasst, das beispielsweise die folgenden Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhalten kann:

Kohlenstoff (C) mit mindestens 0,15 % und höchstens 0,5 %, insbesondere höchstens 0,4 %;
Mangan (Mn) mit mindestens 0,5 % und höchstens 5,0 %, insbesondere mindestens 0,8 % und höchstens 2,5 %;
Aluminium (Al) mit höchstens 0,1 %;
Silizium (Si) mit mindestens 0,1 % und höchstens 0,9 %, insbesondere höchstens 0,5 %;
Chrom (Cr) mit mindestens 0,01 % und höchstens 1,0 %;
Tital (Ti) mit höchstens 0,02 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Bor (B) mit mindestens 0,0005 und höchstens 0,080 %, insbesondere mindestens 0,002 % und höchstens 0,006 %;
Phosphor (P) mit höchstens 0,1 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
Schwefel (S) mit höchstens 0,05 %, insbesondere höchstens 0,01 %;
optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1,55 % (1550 ppm); den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen.

Unter diese Legierungszusammensetzung fallen beispielsweise bor-manganhaltige Stahlwerkstoffe wie 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 und 34MnB5. Der Stahlwerkstoff kann im Ausgangszustand eine Streckgrenze von beispielsweise 150 bis 1100 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von mindestens 450 MPa aufweisen. Die optionalen weiteren Legierungselemente können ausgewählt sein aus der Gruppe:

Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %;
Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %;
Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %;
Molybdän (Mo) mit höchstens 1,0 %;
Vanadium (V) mit höchstens 0,25 %;
ohne hierauf eingeschränkt zu sein, wobei sich die genannten Prozentangaben jeweils auf Masseprozent des Stahlsubstrats beziehen. Es können ein oder mehrere der genannten optionalen Legierungselemente verwendet werden. Der Masseanteil der optionalen Legierungselemente beträgt in Summe maximal 1,55 %, insbesondere maximal 1,0 %, vorzugsweise maximal 0,8 %.

Im Verfahrensschritt S1 wird das Stahlsubstrat 2, das im Ausgangszustand auf einem Coil 3 aufgewickelt sein kann, mit einer Vorbeschichtung 4 versehen. In auf das Stahlsubstrat aufgebrachtem Zustand enthält die Vorbeschichtung 4 Aluminium mit zumindest 85 Gewichtsprozent und Silizium mit bis zu 15 Gewichtsprozent. Es versteht sich, dass andere Legierungselemente zulasten des Silizium-Anteils mit enthalten sein können, beispielsweise Eisen und/oder andere Legierungselemente mit insgesamt bis zu 5 Gewichtsprozent. Die Vorbeschichtung 4 kann mit generell bekannten Verfahren auf das Stahlsubstrat 2 aufgebracht werden. Eine Möglichkeit ist das Aufbringen im Schmelztauchverfahren. Dabei durchläuft das Stahlsubstrat 2 in einer Beschichtungsanlage 6 ein Schmelzbad 5 aus flüssigem Beschichtungsmaterial 4, welches an der Oberfläche des Substrats 2 anhaftet, so dass ein vorbeschichtetes Stahlsubstrat erzeugt wird. Die Schmelze des Beschichtungsmaterials kann beispielsweise 8 bis 15 Gewichtsprozent Silizium, 2 bis 4 Gewichtsprozent Eisen, optional ein oder mehrere weitere Legierungselemente, wie beispielsweise zumindest eines aus der Gruppe von Mn, Cr, Ti, B, P, S, Cu, Ni, Nb, Mo, V, von zusammen bis zu 1,5 Gewichtsprozent, und als Rest Aluminium sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen enthalten.
Die Vorbeschichtung 4 wird mit einer Dicke d1 von mindestens 36 Mikrometern, insbesondere mindestens 40 Mikrometern auf das Stahlsubstrat 2 aufgebracht. Die Beschichtungsdicke d1 kann eine maximale Dicke von 60 Mikrometern aufweisen, insbesondere von bis zu 50 Mikrometern. Figur 2A zeigt schematisch einen Ausschnitt des Stahlsubstrats 2 mit Vorbeschichtung 4, wobei die Kombination aus Stahlsubstrat mit Vorbeschichtung mit Bezugszeichen 2' versehen ist.
Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 wird das beschichtete Stahlsubstrat 2' flexibel gewalzt (S2). Hierfür wird das beschichtete Stahlband 2', das vor dem Flexiblen Walzen eine weitestgehend konstante Blechdicke D1 über der Länge aufweist, mittels Walzen 7, 8 derart gewalzt, das es längs der Walzrichtung eine variable Blechdicke D2a, D2b, D2c erhält. Das beschichtete und flexibel gewalzte Stahlsubstrat ist mit dem Bezugszeichen 12 versehen.
Während des Walzens wird der Prozess überwacht und gesteuert, wobei die von einer Blechdickenmessung 9 ermittelten Daten als Eingangssignal zur Steuerung der Walzen 7, 8 verwendet werden. Das Flexible Walzen wird entsprechend dem gewünschten Solldickenprofil einer aus dem Bandmaterial 12 zu schneidenden Platine beziehungsweise einem hieraus herzustellenden Bauteil durchgeführt. Dabei kann das Flexible Walzen mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke D1 des vorbeschichten Stahlsubstrats 2' durchgeführt werden, insbesondere mit Abwalzgranden zwischen 3 % und 55 %. In Figur 2B ist ein Ausschnitt des vorbeschichteten Stahlsubstrats 12 nach dem Flexiblen Walzen gezeigt. Es ist erkennbar, dass das flexibel gewalzte Bandmaterial 12 nach dem Walzen stärker ausgewalzte erste Bereiche a mit einer ersten Dicke D2a und weniger stark ausgewalzte zweite Bereiche b mit einer zweiten Dicke D2b sowie dazwischen liegende Übergangsbereiche c mit variabler Dicke D2c aufweist. Dabei vollzieht sich im Rahmen des Flexiblen Walzens eine Dickenreduktion sowohl im Substrat 2 als auch entsprechend in der Vorbeschichtung 4. Mit steigendem Walzendruck nimmt also sowohl die Dicke des Substrats 2 als auch die Dicke der darauf aufgebrachten Vorbeschichtung 4 ab. Die Vorbeschichtung 4 hat nach dem Flexiblen Walzen in den dünneren ersten Abschnitten a eine reduzierte erste Dicke d2a von insbesondere weniger als 20 Mikrometern, und in dickeren zweiten Abschnitten b eine reduzierte zweite Dicke d2b von insbesondere mehr als 33 Mikrometern, vorzugsweise von mehr als 36 Mikrometern.
Nach dem Flexiblen Walzen kann das Bandmaterial 12 wieder zum Coil 3 aufgewickelt werden, so dass es zu einer nachfolgenden Bearbeitungsstation transportiert werden kann. Nach dem Walzprozess kann das Stahlband 12 in einem nachfolgenden Verfahrensschritt geglättet werden, was in einer Bandrichtvorrichtung erfolgt. Der Verfahrensschritt des Glättens ist optional und kann auch weggelassen werden.
Nach dem Flexiblen Walzen (S2) beziehungsweise Glätten (falls vorgesehen) wird das beschichtete und flexibel gewalzte Stahlband 12 im Verfahrensschritt S3 vereinzelt. Dabei werden aus dem Stahlband 12 einzelne Blechplatinen 22 herausgearbeitet, beispielsweise mittels einer Stanz- und/oder Schneidvorrichtung 10. Je nach Form der zu fertigenden Blechplatinen 22 können diese aus dem Bandmaterial 12 als Formschnitt ausgestanzt werden, wobei ein nicht weiterverwendeter Rand als Schrott wegfällt, oder das Bandmaterial 12 kann einfach in Teilstücke abgelängt werden.
Die Platinen 22 werden in einem nachfolgenden Schritt S4 warmumgeformt, was auch als Presshärten bezeichnet werden kann. Beim Warmumformen beziehungsweise Presshärten wird die Platine 22 auf eine Temperatur erwärmt, die in der Regel oberhalb der AC1 beziehungsweise AC3-Temperatur des Werkstoffs liegt, beispielsweise zwischen 750°C bis 1000°C. Das Erwärmen kann durch geeignete Verfahren durchgeführt werden, wie beispielsweise mittels induktiver Erwärmung, konduktiver Erwärmung, Erwärmung im Rollenherdofen, Kontakterwärmung durch heiße Platten, Infrarot, oder andere bekannte Verfahren. Nach dem Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur wird die Platine 22 anschließend in ein Warmformwerkzeug 11 eingelegt und hierin umgeformt und derart schnell abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt, dass zumindest teilweise ein martensitisches Härtegefüge im so hergestellten Formteil entsteht.
Das Warmumformen (S4) kann nach einer ersten Möglichkeit als direkter Prozess durchgeführt werden. Dabei wird die Platine 22 direkt auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend zur gewünschten Endkontur in einem Schritt warmumgeformt. Ein vorhergehendes (kaltes) Vorformen findet hier nicht statt. Das Warmumformen kann nach einer zweiten Möglichkeit auch als indirekter Prozess durchgeführt werden, der die Teilschritte Kaltvorformen, anschließendes Erwärmen des kalt vorgeformten Bauteils auf Austenitisierungstemperatur sowie anschließendes Warmumformen zur Erzeugung der Endkontur des Formteils umfasst.
Aufgrund der im Rahmen des Warmumformens durchgeführten Erwärmung der Platine 22 finden Diffusionsprozesse zwischen dem Grundmaterial des Stahlsubstrats 2 und dem Beschichtungsmaterial 4 statt. Dabei diffundiert Eisen aus dem Stahlsubstrat 2 in das Beschichtungsmaterial 4, so dass die Dicke d3 der Beschichtung 4 gegenüber der nach dem Flexiblen Walzen vorliegenden Dicke d2 insgesamt zunimmt, das heißt die Beschichtungsdicken d3a, d3b des warmumgeformten Bauteils 32 sind jeweils dicker als die entsprechenden Beschichtungsdicken d2a, d2b vor der Warmumformung. Die Haltezeit zum Austenitisieren der beschichteten Platine 22 hängt von der gewählten Temperatur ab und kann zwischen 4 und 10 Minuten liegen. Vorzugsweise hat die Beschichtung 4 des warmumgeformten Erzeugnisses 32 in den dünneren ersten Abschnitten a eine Beschichtungs-Enddicke d3a von mehr als 15 Mikrometern, insbesondere mehr als 20 Mikrometern. In den dickeren zweiten Abschnitten b kann die Beschichtung 4 nach dem Erwärmen beziehungsweise Warmumformen eine zweite Enddicke d3b insbesondere von mehr als 30 Mikrometern, vorzugsweise mehr als 35 Mikrometern aufweisen. Für eine gute Schweißbarkeit des hergestellten Bauteils ist es günstig, wenn die Enddicke d3a der Beschichtung 4 in den dünnen Bereichen a kleiner als 50 Mikrometern, insbesondere kleiner als 40 Mikrometern ist, und in den dickeren Bereichen b kleiner als 60 Mikrometer, insbesondere kleiner als 50 Mikrometer ist.
Optional kann vor der Warmumfomung (S4) eine Oberflächenoxidation des beschichteten und flexibel gewalzten Substrats 2 vorgenommen werden. Dabei wird eine Oxidationsschicht auf der Beschichtung 4 ausgebildet. Dies führt zu einer höheren Wärmeabsorption, so dass die Aufheizzeiten verkürzt werden können. In einer günstigen Verfahrensführung kann die Platine im Rahmen der Warmumformung zumindest bis zum Erreichen einer Temperatur von 700°C mit einer Aufheizrate von mehr als 12 K/sec erwärmt werden.

Bezugszeichenliste

2: Stahlsubstrat
3: Coil
4: Beschichtung
5: Schmelzbad
6: Beschichtungsvorrichtung
7: Walzen
8: Walzen
9: Dickenregelung
10: Schneidvorrichtung
11: Warmformwerkzeug
12: flexibel gewalztes Substrat
22: Platine
32: Warmformteil

a: erster Abschnitt
b: zweiter Abschnitt
c: Übergangsabschnitt
D: Dicke (2+4)
d: Dicke (4)
S1-S4: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts umfassend:
Bereitstellen eines Stahlsubstrats (2) mit einem Basismaterial aus einem härtbaren Stahl;

Beschichten (S1) des Stahlsubstrats (2) mit einer Aluminium enthaltenden Vorbeschichtung (4) mit mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium, wobei die Vorbeschichtung (4) mit einer Dicke (d1) von mindestens 36 Mikrometern (µm) auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird;

Flexibles Walzen (S2) des vorbeschichteten Stahlsubstrats (2), wobei aufeinander folgende Abschnitte (a, b, c) des vorbeschichteten Stahlsubstrats (2) mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke des Stahlsubstrats (2) unterschiedlich stark ausgewalzt werden, wobei die Vorbeschichtung durch das Flexible Walzen in dünneren ersten Abschnitten (a) eine reduzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 33 Mikrometern und in dickeren zweiten Abschnitten (b) eine reduzierte zweite Dicke (d2b) von mehr als 33 Mikrometern, die dicker ist als die reduzierte erste Dicke (d2a), erhält;

Herausarbeiten (S3) einer Platine (22) aus dem flexibel gewalzten Stahlsubstrat (2);

Erwärmen der Platine (22) derart, dass das Basismaterial der Platine (22) zumindest teilweise austenitisiert wird, wobei durch das Erwärmen Diffusionsprozesse zwischen dem Basismaterial und der Vorbeschichtung (4) stattfinden; und

Warmumformen (S4) der erwärmten Platine (22), wobei die erwärmte Platine (22) umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahlprodukt (32) mit Beschichtung erzeugt wird,

wobei aus der Vorbeschichtung (4) durch das Erwärmen und Warmumformen (S4) die Beschichtung gebildet wird, mit einer ersten Enddicke (d3a) in den dünneren ersten Abschnitten (a), die größer als die reduzierte erste Dicke (d2a) ist und zwischen 15 bis 50 Mikrometern beträgt, und mit einer zweiten Enddicke (d3b) in den dickeren zweiten Abschnitten (b), die größer als die reduzierte zweite Dicke (d2b) ist und zwischen 30 bis 60 Mikrometern beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) mit einer Dicke (d1) von mindestens 40 Mikrometern auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) durch das Flexible Walzen (S2) in den dünneren ersten Abschnitten (a) eine reduzierte erste Dicke (d2a) von weniger als 20 Mikrometern erhält,
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) durch das Flexible Walzen (S2) in den dickeren zweiten Abschnitten (b) eine reduzierte zweite Dicke (d2b) von mehr als 36 Mikrometern erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung gebildet wird mit einem Enddickenverhältnis (d3a/d3b) der ersten Enddicke (d3a) zur zweiten Enddicke (d3b), das größer ist, als ein Zwischendickenverhältnis (d2a/d2b) der reduzierten ersten Dicke (d2a) zur reduzierten zweiten Dicke (d2b).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass Stahlsubstrat (2) mit einer Anfangsdicke von 1,0 bis 4,0 mm verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung (4) mittels Schmelztauchbeschichtung auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stahlsubstrat (2) nach dem Aufbringen der Vorbeschichtung (4) in der Beschichtungsanlage (6) erwärmt wird, um ein Vordiffundieren zwischen der Vorbeschichtung (4) und dem Stahlsubstrat (2) zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Stahlsubstrat (2) ein härtbarer Stahl verwendet wird, der folgende Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhaltet:
Kohlenstoff (C) mit mehr als 0,15 % und weniger als 0,5 %;

Mangan (Mn) mit mehr als 0,5 % und weniger als 5,0 %;

Aluminium (Al) mit weniger als 0,1 %;

Silizium (Si) mit mehr als 0,1 % und weniger als 0,9 %;

Chrom (Cr) mit mehr als 0,01 % und weniger als 1,0 %;

Tital (Ti) mit weniger als 0,2 %;

Bor (B) mit mehr als 0,0005 und weniger als 0,080 %;

Phosphor (P) mit weniger als 0,1 %;

Schwefel (S) mit weniger als 0,05 %;

optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1,55 %;

den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass als optional weiteres Legierungselement zumindest eines von:
Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %;

Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %;

Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %;

Molybdän (Mo) mit höchstens 1,0 %;

Vanadium (V) mit höchstens 0,25 %;

jeweils in Gewichtsprozent, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorbeschichtung (4) mindestens 85 Gew.-% Aluminium enthält, und optional 5 bis 15 Gew.-% Silizium enthalten kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Oberfläche des beschichteten Stahlsubstrats (2) vor dem Warmumformen eine Metalloxidschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Platine (22) zum Austenitisieren zumindest bis zum Erreichen einer Temperatur von 700°C mit einer Aufheizrate von mehr als 12 K/sec erwärmt wird.