[0001] Die Erfindung betrifft einen Mangan-Bor-Stahl, ein aus einem solchen Stahl hergestelltes
Flachprodukt und ein Verfahren zu dessen Herstellung. MnB-Stähle dieser Art werden
insbesondere im Bereich des Automobilbaus für die Herstellung von Bauteilen verwendet,
die neben einem geringen Gewicht eine hohe Festigkeit besitzen sollen.
[0002] Die an das Verformungsverhalten von modernen Automobilen im Crash-Fall gestellten
hohen Sicherheitsanforderungen können heutzutage durch Verwendung von höherfesten
Stählen zur Herstellung der bei einem Unfall für das Verformungsverhalten der Fahrzeug-Karosserie
und der besonders kritischen Bauteile erfüllt werden. Problematisch ist dabei allerdings,
dass hochfeste Stähle in der Regel eine unzureichende Umformbarkeit aufweisen und
zum Rückfedern bei ihrer Kaltverformung zu dem jeweiligen Bauteil neigen.
[0003] Dieses Problem wird in der Praxis dadurch bewältigt, dass aus höherfesten Stählen
erzeugte Bleche im warmen Zustand in so genannten "Warmpressen" zum jeweiligen Bauteil
verformt werden. Diese Vorgehensweise hat sich bewährt und erlaubt die Erzeugung auch
von komplexer geformten Karosserie- und Fahrwerksteilen aus hochfesten Stählen.
[0004] Als besonders gut geeignet für die Warmpressverformung haben sich Mangan-Bor-Stähle
der hier in Rede stehenden Art erwiesen, die in der EN 10083-3 genormt sind. Diese
Stähle besitzen eine gute Härtbarkeit, die beim Warmpressen eine sichere Prozessführung
erlaubt und durch die es auf wirtschaftliche Weise möglich ist, im Zuge der Warmverformung
eine Martensithärtung noch im Werkzeug ohne zusätzliche Kühlung zu bewirken.
[0005] Ein für die voranstehend zusammengefassten Zwecke in der Praxis bewährter MnB-Stahl
ist unter der Bezeichnung "22MnB5" bekannt und hat im Stahlschlüssel, Ausgabe 2004,
die Werkstoffnummer 1.5528 erhalten. Typischerweise enthält auf dem Markt erhältlicher
22MnB5-Stahl neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,220 - 0,250
% C, 1, 2 - 1,4 % Mn, 0, 2 - 0,3 % Si, bis zu 0,02 % P, bis zu 0,005 % S, 0,020 -
0,050 % Al, 0,020 - 0,050 % Ti, 0,11 - 0,2 % Cr, 0,002 - 0,0035 % B sowie jeweils
bis zu 0,1 % Mo, Cu und Ni (Werkstoffdatenblatt 11-112 der Salzgitter Flachstahl GmbH,
Ausgabe November 2005).
[0006] Für entsprechend zusammengesetzte, warmgewalzte und mit einer Al-Beschichtung versehene
Stahlbleche ist in der
EP 0 971 044 B1 eine Legierungsvorschrift angegeben, gemäß der ein MnB-Stahl neben Eisen und unvermeidbaren
Verunreinigungen (in Gew.-%) einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,20 %, jedoch weniger
als 0,5 %, einen Mangangehalt von mehr als 0,5 %, jedoch weniger als 3 %, einen Siliziumgehalt
von mehr als 0,1 %, jedoch weniger als 0,5 %, einen Chromgehalt von mehr als 0,01
% jedoch weniger als 1 %, einen Titangehalt von weniger als 0,2 %, einen Aluminiumgehalt
von weniger als 0,1 %, einen Phosphorgehalt von weniger als 0,1 %, einen Schwefelgehalt
von weniger als 0,05 % und einen Borgehalt von mehr als 0,0005 %, jedoch weniger als
0,08 % aufweisen soll. Ein in der
EP 0 971 044 B1 als Ausführungsbeispiel angegebenes, mit einer Al-Beschichtung versehenes Stahlblech
weist dementsprechend (in Gew.-%) 0,21 % C, 1,14 % Mn, 0,020 % P, 0,0038 % S, 0,25
% Si, 0,04 % Al, 0,009 % Cu, 0,020 % Ni, 0,18 % Cr, 0,0040 % N, 0,032 % Ti, 0,003
% B und 0,0050 % Ca auf. Nach einer Wärmebehandlung soll die Festigkeit dieses Stahlblechs
mehr als 1500 MPa betragen.
[0007] Des Weiteren ist aus der
JP 2004-211197 ein Stahlblech für Strukturbauteile von Automobilkarosserien bekannt, das neben Eisen
und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 0, 20 - 0,35 % C, 0, 01 - 1,0 % Si,
0,3 - 2,0 % Mn, 0, 01 - 0,10 % Al, mehr als 1 - 5 % Ni, 0,005 - 0,1 % Ti, 0,0005 -
0,005 % B, 0,001 - 0,01 % N, bis zu 0,02 % P, bis zu 0,01 % S, bis zu 0,01 % O aufweist.
In dem bei dieser Legierung für die Ti- und N-Gehalte die Bedingung "Ti/47.88 - N/14.01
≤ 0,001", für die Al- und N-Gehalte die Bedingung "0 ≤ Al/26.98 - N/14.01 ≤ 0,0015"
sowie für die C-, Si-, Mn-, Ni-, Cr-, Cu-, S- und P-Gehalte die Bedingung "-28.8 x
C
2 + 38.0 x C + 1.7 x Si + 7.5 x Mn + 1.4 x Ni + 43.2 x Cr + 8.7 x Cu + 53.5 x S + 57.1
x P + 17.9 ≥ 35" eingehalten werden, soll das betreffende Stahlblech eine besonders
gute Härtbarkeit nach der Warmverformung bei gleichzeitig besonders gutem Verhalten
bei einem schlagartigen Stoß besitzen.
[0008] Den voranstehend genannten, konventionellen MnB-Stählen gemeinsam ist, dass sie zwar
jeweils hohe Festigkeiten und eine gute Härtbarkeit aufweisen. Ihre hohe Festigkeit
nach dem Warmpressen ergibt sich dabei durch den im Martensitgitter gelösten Kohlenstoff,
während ihre gute Härtbarkeit maßgeblich durch die Mn- und Cr- Gehalte und ergänzt
durch B bestimmt wird.
[0009] Die Restbruchdehnung der bekannten Stähle liegt allerdings typischerweise nur bei
5 - 6 %. Um den immer weiter steigenden Anforderungen an das Crash-Verhalten von Fahrzeugkarosserien
gerecht zu werden, werden jedoch Stähle benötigt, die neben einer hohen Festigkeit
auch ein verbessertes Dehnungsverhalten des aus einem solchen Stahl gefertigten Bauteils
nach dem Warmpressen aufweisen.
[0010] Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik lag der Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, einen Stahl anzugeben, der zur Herstellung von Bauteilen mit
hoher Festigkeit und gutem Dehnungsverhalten auch nach einer Warmpressverformung geeignet
ist. Darüber hinaus sollte ein Stahlflachprodukt angegeben werden, das im Hinblick
auf die in der Praxis an aus solchen Stahlflachprodukten, wie Stahlbändern oder Stahlblechen,
hergestellten Bauteilen gestellten Anforderungen verbesserte mechanische Eigenschaften
aufweist. Schließlich sollte ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlflachproduktes
angegeben werden.
[0011] In Bezug auf den Stahl ist diese Aufgabe durch einen Mangan-Bor-Stahl gelöst worden,
der (in Gew.-%) 0, 1 - 0,20 % C, 0, 05 - 0,30 % Si, 0, 8 - 1,8 % Mn, 0,5 - 1,8 % Ni,
bis zu 0,015 % P, bis zu 0,003 % S, 0,0002 - 0,0080 % B und als Rest Eisen und unvermeidbare
Verunreinigungen enthält. Zusätzlich kann der erfindungsgemäße MnB-Stahl wahlweise
0,01 - 0,1 % Ti, 0,01 - 0,05 % Al, 0,002 - 0,005 % N jeweils in Kombination oder alleine
enthalten.
[0012] Im Gegensatz zu den konventionellen MnB-Stählen, bei denen die mechanischen Eigenschaften
maßgeblich durch die C-, Mn- und Cr-Gehalte bestimmt werden, ist bei dem erfindungsgemäßen
Legierungskonzept auf Gehalte an Cr verzichtet worden. Stattdessen enthält erfindungsgemäßer
MnB-Stahl Gehalte an Ni, um die Bruchdehnung und Zähigkeit von aus dem erfindungsgemäßen
Stahl hergestellten Bauteilen nach einem Warmpressverformen erhaltenen gehärteten
Zustand maßgeblich zu steigern. Gleichzeitig verbessert die Anwesenheit von Ni die
Härtbarkeit erfindungsgemäßer MnB-Stähle, so dass die Mn-Gehalte reduziert und auf
die Zugabe von hinsichtlich seines Einflusses auf die Restdehnbarkeit kritischem Cr
verzichtet werden konnte.
[0013] Der C-Gehalt erfindungsgemäßer Stähle ist zudem so modifiziert worden, dass zu Gunsten
einer verbesserten Dehnbarkeit die im Zuge des Warmpressens erzeugte Martensithärte
vermindert oder das nach dem Warmpressen erhaltene Bauteile ein bainitisches Gefüge
aufweist, durch dass die Zähigkeit und Bruchdehnung von aus erfindungsgemäßem Stahl
erzeugten Bauteilen ebenfalls positiv beeinflusst wird. Wird auf eine erhöhte Festigkeit
des erfindungsgemäßen Stahls Wert gelegt, kann im Rahmen der Erfindung der C-Gehalt
im Bereich von 0,15 - 0,20 Gew.-% eingestellt werden. Für einen weniger festen, jedoch
eine besonders gute Restdehnbarkeit und Zähigkeit auch nach der Warmpressverfomung
und der in deren Zuge bewirkten Härtung aufweisenden Stahl haben sich demgegenüber
C-Gehalte von 0,10 - 0,15 Gew.-% als zweckmäßig erwiesen.
[0014] Durch eine Modifizierung des Mn-Gehaltes kann zudem die Restdehnung und Härtbarkeit
des erfindungsgemäßen Stahls beeinflusst werden. Dabei sind reduzierte, im Bereich
von 0,8 - 1,6 Gew.-% liegende Mn-Gehalte einer verbesserten Restdehnbarkeit zuträglich,
während bei Mn-Gehalten von 1,0 - 1,8 Gew.-% eine verbesserte Härtbarkeit des erfindungsgemäßen
Stahls vorliegt.
[0015] Ebenso kann durch eine geeignete Einstellung des Nickel-Gehalts die Restdehnung und
die Härtbarkeit des erfindungsgemäßen Stahls eingestellt werden. So führen niedrigere,
im Bereich von 0,5 - 1,8 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 0,8 - 1,5 Gew.-%, liegende
Ni-Gehalte zu einer höheren Härtbarkeit und zugleich zu einer verbesserten Zähigkeit,
wodurch zusammen eine verbesserte Restdehnung erzielt wird.
[0016] Ein erfindungsgemäßer Stahl mit hoher Festigkeit und verbesserter Restdehnung nach
einer im Zuge einer Warmverformung erzielten Härtung weist dementsprechend (in Gew.-%)
0,15 - 0,2 % C, 0, 05 - 0,30 % Si, 0,8- 1,6 % Mn, 0,5 - 1,0 % Ni, max. 0,015 % P,
max. 0,003 % S, 0,0002 - 0,0080 % B sowie als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen
auf.
[0017] Ein erfindungsgemäßer Stahl mit geringerer Festigkeit, jedoch weiter verbesserter
Restdehnung nach einer im Zuge einer Warmverformung erzielten Härtung weist demgegenüber
(in Gew.-%) 0,10 - 0,15 % C, 0, 05 - 0,30 % Si, 1, 0 - 1,8 % Mn, 0,8 - 1,8 % Ni, max.
0,015 % P, max. 0,003 % S, 0,0002 - 0,0080 % B sowie als Rest Eisen und unvermeidbare
Verunreinigungen auf.
[0018] Unabhängig davon, welche der verschiedenen im Rahmen der erfindungsgemäßen Legierung
möglichen Varianten zur Anwendung kommen, tritt die härtesteigernde Wirkung von Bor
in einem erfindungsgemäßen Stahl insbesondere dann ein, wenn der B-Gehalt mindestens
0,0008 Gew.-% beträgt.
[0019] In Bezug auf das Stahlflachprodukt ist die oben genannte Aufgabe dementsprechend
erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass ein solches Stahlflachprodukt, wie Stahlband
oder -blech, aus einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Mangan-Bor-Stahl erzeugt
worden ist. Bei dem erfindungsgemäßen Stahlflachprodukt kann es sich um ein warm-
oder kaltgewalztes Stahlband oder -blech handeln. Dabei eignen sich erfindungsgemäß
zusammengesetzte Stahlbänder oder Stahlbleche hervorragend für eine Oberflächenveredelung
durch Auftrag einer metallischen Beschichtung. Diese kann beispielsweise durch Feueraluminierung
oder Feuerverzinkung sowie durch eine Kombination dieser Verfahren aufgebracht werden.
Darüber hinaus kann der durch die metallische Beschichtung jeweils erhaltene Korrosionsschutz
zusätzlich dadurch verbessert werden, dass das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt
zusätzlich mit einer organischen oder anorganischen Beschichtung versehen wird.
[0020] Für erfindungsgemäße Stahlflachprodukt können Zugfestigkeiten R
m von mindestens 1.000 MPa nach dem Warmpressen garantiert werden. Gleichzeitig liegen
die Bruchdehnungswerte A
80 von erfindungsgemäßen Stahlflachprodukten nach dem Warmpressen regelmäßig über 10
%.
[0021] Hinsichtlich des Herstellverfahrens ist die oben genannte Aufgabe schließlich durch
ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts gelöst worden,
bei dem folgende Arbeitschritte durchlaufen werden:
- Erschmelzen einer erfindungsgemäß zusammengesetzten Stahlschmelze,
- Vergießen der Schmelze zu Brammen oder Dünnbrammen,
- Warmwalzen der Brammen oder Dünnbrammen bei einer Warmwalzendtemperatur von 850 -
900 °C zu einem Warmband,
- Haspeln des Warmbands bei Haspeltemperaturen von 560 - 600 °C.
[0022] Das erhaltene Warmband kann für die weitere Verarbeitung in an sich bekannter Weise
beispielsweise durch Beizen entzundert werden. Sofern das erhaltene Stahlflachprodukt
unmittelbar als Warmband der Umformung zu einem Bauteil zugeführt werden soll, kann
nun als Korrosionsschutz eine metallische Beschichtung in der voranstehend bereits
beschriebenen Weise aufgebracht werden. Alternativ kann das Warmband nach dem erforderlichenfalls
durchgeführten Beizen zu Kaltband kaltgewalzt werden. Die beim Kaltwalzen bevorzugt
ohne zwischengeschaltetes Zwischenglühen erzielten Kaltwalzgrade sollten mindestens
40 % betragen, um eine vollständige Rekristallisation zu gewährleisten.
[0023] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
[0024] In einem konventionellen Konverter sind zwei erfindungsgemäße Stahlschmelzen S1,S2
erschmolzen worden, deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 angegeben sind. Zusätzlich
ist in Tabelle 1 zum Vergleich die Zusammensetzung eines konventionellen 22MnB5-Stahls
V angegeben.
[0025] Die Stahlschmelzen S1,S2 sind anschließend in einer ebenfalls konventionellen Gießwalzanlage
zu Dünnbrammen vergossen worden.
[0026] Aus den so erhaltenen Dünnbrammen sind anschließend Warmbänder warmgewalzt worden.
Die Warmwalzendtemperatur betrug dabei 850 °C. Anschließend sind die erhaltenen Warmbänder
bei einer Haspeltemperatur gehaspelt worden, die bei 560 °C lag.
[0027] Nach dem Haspeln sind die Warmbänder gebeizt und zu Kaltbändern kaltgewalzt worden.
Im Hinblick auf eine Minimierung der Produktionskosten erfolgte das Kaltwalzen ohne
Zwischenglühung. Der im Zuge des Kaltwalzens erreichte Kaltverformungsgrad (Kaltwalzgrad
= durch das Kaltwalzen erzielte Dickenabnahme / Dicke des kaltzuwalzenden Warmbands)
lag bei 40 %.
[0028] Anschließend wurden von den erhaltenen Kaltbändern abgeteilte Proben durch Feueraluminieren
mit einer metallischen Beschichtung belegt. Bei einer ersten Probe bestand der metallische
Überzug dabei aus 89 - 92 Gew.-% Al, Rest Si. Eine zweite Probe wurde mit einem Überzug,
der 55 Gew.-% Al, 43,4 Gew.-% Zn und 1,6 Gew.-% Si enthielt, feueraluminiert.
[0029] Andere von den erhaltenen Kaltbändern abgeteilte Proben sind einer Feuerverzinkung
unterzogen worden, bei der eine erste Probe mit einer Reinzinkschicht (Zn-Gehalt mindestens
99 Gew.-%) und eine zweite Probe mit einer Schicht aus 95 Gew.-% Zn, Rest Al belegt
worden ist. Eine dritte Probe wurde in an sich ebenso bekannter Weise durch Galvanealing
mit einer Reinzinkschicht beschichtet.
[0030] Die so behandelten Proben sind durch Warmpressformen zu Karosseriebauteilen umgeformt
worden. Die so erhaltenen Bauteile wiesen Zugfestigkeiten von jeweils mehr als 1.000
MPa und eine Bruchdehnung A
80 von mindestens 10 % auf. Durch Auftrag eines durch Kataphorese-Tauch-Lackierung aufgebrachten
Lackschicht mit anschließender Trocknung konnte die untere Streckgrenze um mindestens
80 MPa gesteigert werden, ohne dass die Festigkeit und Bruchdehnung der Bauteile sich
änderte.
[0031] Abhängig von der jeweiligen Temperaturführung im für die Warmpressverformung verwendeten
Werkzeug lag in den erhaltenen Bauteilen ein martensitisches, ein bainitisches oder
ein gemischt martensitisches-bainitisches Gefüge vor.
[0032] In Diag. 1 sind die für die Stähle S1,S2 die nach dem Jominiy-Test berechneten Härteverläufe
dem Härteverlauf des konventionell zusammengesetzten Stahls V gegenüber gestellt.
Dabei ist die jeweilige Härte H über den jeweiligen Abstand A zur abgeschreckten Fläche
aufgetragen.
Tabelle 1
| |
S1 |
S2 |
V |
| C |
0,20 |
0,15 |
0,233 |
| Si |
0,24 |
0,24 |
0,24 |
| Mn |
1,00 |
1,00 |
1,23 |
| P |
< 0,015 |
< 0,015 |
0,018 |
| S |
< 0,001 |
< 0,001 |
0,001 |
| Al |
0,03 |
0,03 |
0,035 |
| N |
0,003 |
0,003 |
0,0031 |
| Ni |
0,65 |
0,65 |
0,023 |
| Ti |
0,033 |
0,033 |
0,033 |
| B |
0,0025 |
0,0025 |
0,0022 |
| Cr |
< 0,05 |
< 0,05 |
0,14 |
1. Mangan-Bor-Stahl, der (in Gew.-%)
C: 0,1 - 0,20 %,
Si: 0,05 - 0,30 %,
Mn: 0,8 - 1,8 %,
Ni: 0,5 - 1,8 %,
P: ≤ 0,015 %,
S: ≤ 0,003 %,
B: 0,0002 - 0,0080 %,
sowie wahlweise eines oder mehrere der folgenden Elemente Ti, Al und N nach folgender
Maßgabe:
Ti: 0,01 - 0,1 %,
Al: 0,01 - 0,05 %,
N: 0,002 - 0,005 %,
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.
2. Mangan-Bor-Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,15 - 0,20 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
3. Mangan-Bor-Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,10 - 0,15 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
4. Mangan-Bor-Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,8 - 1,6 Gew.-% Mangan enthält.
5. Mangan-Bor-Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er 1,0 - 1,8 Gew.-% Mangan enthält.
6. Mangan-Bor-Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,5 - 1,0 Gew.-% Nickel enthält.
7. Mangan-Bor-Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,8 - 1,8 Gew.-% Nickel enthält.
8. Mangan-Bor-Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens 0,0008 Gew.-% Bor enthält.
9. Stahlflachprodukt, hergestellt aus einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zusammengesetzten
Mangan-Bor-Stahl.
10. Stahlflachprodukt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Auftrag einer metallischen Beschichtung oberflächenveredelt ist.
11. Stahlflachprodukt nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Warmpressen eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1.000 MPa aufweist.
12. Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Warmpressen eine Bruchdehnung A80 von mehr als 10 % besitzt.
13. Verfahren zur Herstellung eines gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 beschaffenen Stahlflachprodukts,
umfassend folgende Arbeitschritte:
- Erschmelzen einer Stahlschmelze mit einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildeten
Zusammensetzung,
- Vergießen der Schmelze zu Brammen oder Dünnbrammen,
- Warmwalzen der Brammen oder Dünnbrammen bei einer Warmwalzendtemperatur von 850
- 900 °C zu einem Warmband,
- Haspeln des Warmbands bei Haspeltemperaturen von 560 - 600 °C.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmband nach dem Warmwalzen entzundert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmband nach dem Warmwalzen zu einem Kaltband kaltgewalzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltwalzen ohne Zwischenglühen durchgeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Kaltwalzen erzielte Kaltwalzgrad mindestens 40 % beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das entzunderte Warmband oder das Kaltband durch eine metallische Beschichtung oberflächenveredelt
wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das entzunderte Warmband oder das Kaltband feueraluminiert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das entzunderte Warmband oder das Kaltband feuerverzinkt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der metallischen Beschichtung versehene entzunderte Warmband oder Kaltband
mit einer organischen oder anorganischen Beschichtung versehen wird.