Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen gehärteter korrosionsgeschützter Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, dass insbesondere in Automobilen sogenannte pressgehärtete Bauteile aus Stahlblech eingesetzt werden. Diese pressgehärteten Bauteile aus Stahlblech sind hochfeste Bauteile, die insbesondere als Sicherheitsbauteile des Karosseriebereichs verwendet werden. Hierbei ist es durch die Verwendung dieser hochfesten Stahlbauteile möglich, die Materialdicke gegenüber einem normalfesten Stahl zu reduzieren und somit geringe Karosseriegewichte zu erzielen.

Beim Presshärten gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung derartiger Bauteile. Unterschieden wird in das sogenannte direkte und indirekte Verfahren.

Beim direkten Verfahren wird eine Stahlblechplatine über die sogenannten Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und gegebenenfalls so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis ein gewünschter Austenitisierungsgrad erreicht ist. Anschließend wird diese erhitzte Platine in ein Formwerkzeug überführt und in diesem Formwerkzeug in einem einstufigen Umformschritt zum fertigen Bauteil umgeformt und hierbei durch das gekühlte Formwerkzeug gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt. Somit wird das gehärtete Bauteil erzeugt.

Beim indirekten Verfahren wird zunächst, gegebenenfalls in einem mehrstufigen Umformprozess, das Bauteil fast vollständig fertig umgeformt. Dieses umgeformte Bauteil wird anschließend ebenfalls auf eine Temperatur über die Austenitisierungstemperatur erhitzt und gegebenenfalls für eine gewünschte erforderliche Zeit auf dieser Temperatur gehalten.

Anschließend wird dieses erhitzte Bauteil in ein Formwerkzeug überführt und eingelegt, welches schon die Abmessungen des Bauteils bzw. die Endabmessungen des Bauteils gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Wärmedehnung des vorgeformten Bauteils besitzt. Nach dem Schließen des insbesondere gekühlten Werkzeuges wird somit das vorgeformte Bauteil lediglich in diesem Werkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt und dadurch gehärtet.

Das direkte Verfahren ist hierbei etwas einfacher zu realisieren, ermöglicht jedoch nur Formen, die tatsächlich mit einem einzigen Umformschritt zu realisieren sind, d.h. relativ einfache Profilformen.

Das indirekte Verfahren ist etwas aufwendiger, dafür aber in der Lage auch komplexere Formen zu realisieren.

Zusätzlich zum Bedarf an pressgehärteten Bauteilen entstand der Bedarf, derartige Bauteile nicht aus unbeschichtetem Stahlblech zu erzeugen, sondern derartige Bauteile mit einer Korrosionsschutzschicht zu versehen.

Als Korrosionsschutzschicht kommen im Automobilbau lediglich das eher in geringem Maße verwendeter Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Frage oder aber die erheblich häufiger verlangten Beschichtungen auf der Basis von Zink. Zink hat hierbei den Vorteil, dass Zink nicht nur eine Barriereschutzschicht wie Aluminium leistet, sondern einen kathodischen Korrosionsschutz. Zudem passen sich zinkbeschichtete pressgehärtete Bauteile besser in das Gesamtkorrosionsschutzkonzept der Fahrzeugkarosserien ein, da diese in heute gängiger Bauweise voll verzinkt sind. Insofern kann Kontaktkorrosion vermindert oder ausgeschlossen werden.

Bei beiden Verfahren konnten jedoch Nachteile aufgefunden werden, die auch im Stand der Technik diskutiert werden. Bei dem direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung von presshärtenden Stählen mit Zinkbeschichtung kommt es zu Mikro- (10 µm bis 100µm) oder sogar Makrorissen im Material, wobei die Mikrorisse in der Beschichtung erscheinen und die Makrorisse sogar durch den vollständigen Blechquerschnitt reichen. Derartige Bauteile mit Makrorissen sind für die weitere Verwendung ungeeignet.

Beim indirekten Prozess, d.h. der Kaltumformung mit einer anschließenden Härtung und Restformung kann es ebenfalls zu Mikrorissen in der Beschichtung kommen, welche ebenfalls unerwünscht sind, aber bei weitem nicht so ausgeprägt.

Zinkbeschichtete Stähle werden bislang - bis auf ein Bauteil im asiatischen Raum - im direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung nicht eingesetzt. Hier werden vielmehr Stähle mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung eingesetzt.

Einen Überblick erhält man in der Veröffentlichung "Corrosion resistance of different metallic coatings on press hardened steels for automotive", Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mez. In dieser Veröffentlichung wird ausgeführt, dass es für den Warmumformprozess einen aluminierten Bor-Mangan-Stahl ergibt, der unter dem Namen Usibor 1500P kommerziell vertrieben wird. Zudem werden zum Zwecke des kathodischen Korrosionsschutzes zinkvorbeschichtete Stähle für das Warmumformverfahren vertrieben, nämlich der verzinkte Usibor GI mit einer Zinkbeschichtung, die geringe Anteile von Aluminium enthält und ein sogenannter galvanealed beschichteter Usibor GA, der eine Zinkschicht mit 10 % Eisen enthält.

Es wird darauf hingewiesen, dass das Zink-Eisen-Phasendiagramm zeigt, dass oberhalb von 782°C ein großer Bereich entsteht, der flüssiges Zink enthält, so lang der Eisengehalt geringer als 60 % ist. Dies ist jedoch auch der Temperaturbereich, in dem der austenitisierte Stahl warm umgeformt wird. Es wird aber auch darauf hingewiesen, dass, wenn die Umformung oberhalb von 782°C stattfindet, ein großes Risiko der Spannungskorrosion durch flüssiges Zink besteht, welches in die Korngrenzen des Basisstahls eindringt, welche zu Makrorissen im Basisstahl führt. Darüber hinaus ist bei Eisengehalten geringer als 30 % in der Beschichtung die Maximaltemperatur zum Umformen eines sicheren Produkts ohne Makrorisse niedriger als 782°C. Dies ist der Grund, warum hiermit kein direktes Umformverfahren betrieben wird, sondern dass indirekte Umformverfahren. Hiermit soll das geschilderte Problem umgangen werden.

Eine weitere Möglichkeit dieses Problem zu umgehen, soll darin liegen, galvannealed beschichteten Stahl zu verwenden, was daran liegt, dass der zu Beginn schon bestehende Eisengehalt von 10 % und die Abwesenheit einer Fe₂Al₅-Sperrschicht den kritischen Wert von 60 % Eisen in der Beschichtung beim Erhitzen schnell überschreitet, was die Anwesenheit von flüssigem Eisen während des Warmumformprozesses vermeidet.

Aus der EP 1 439 240 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines beschichteten Stahlproduktes bekannt, wobei Stahlmaterial eine Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung aufweist, die auf der Oberfläche des Stahlmaterials ausgebildet ist und das Stahlbasismaterial mit der Beschichtung auf einen Temperatur von 700°C bis 1000°C erwärmt und warm umgeformt wird, wobei die Beschichtung eine Oxidschicht besitzt, die hauptsächlich aus Zinkoxid besteht, bevor das Stahlbasismaterial mit der Zink- oder Zinklegierungsschicht erwärmt wird, um dann ein Verdampfen des Zinks beim Erwärmen zu verhindern. Hierfür wird ein spezieller Verfahrensablauf vorgesehen.

Aus der EP 1 642 991 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines Stahles bekannt, bei dem ein Bauteil aus einem gegebenen Bor-Mangan-Stahl auf eine Temperatur am Ac₃-Punkt oder höher erhitzt wird, bei dieser Temperatur gehalten wird und dann das erhitzte Stahlblech zum fertigen Bauteil umgeformt wird, wobei das geformte Bauteil durch Kühlung von der Formgebungstemperatur während des Formens oder nach dem Formen in einer solchen Weise abgeschreckt wird, dass die Abkühlrate zum MS-Punkt zumindest der kritischen Abkühlrate entspricht und dass die durchschnittliche Abkühlrate des geformten Bauteils vom MS-Punkt zu 200°C sich im Bereich von 25°C/s bis 150°C/s befindet. Auch JP 2007 182608 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils mit einer Beschichtung aus Zink, welches ein direktes Verfahren zum Warmumformen darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von mit einer Korrosionsschutzschicht versehenen Stahlblechbauteilen zu schaffen, bei dem die Rissbildung vermindert oder beseitigt wird und dennoch ein ausreichender Korrosionsschutz erzielt wird.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der vorbeschriebene Effekt der Rissbildung durch flüssiges Zink, welches den Stahl im Bereich der Korngrenzen penetriert, ist auch als sogenanntes "liquid metal embrittlement" bekannt.

Im Gegensatz zur im Stand der Technik eingeschlagenen Richtung wegen des "liquid metal embrittlements", das indirekte Verfahren auch bei einfachen Geometrien vorzusehen, geht die Erfindung einen günstigeren Weg indem das direkte Verfahren Anwendung findet, bei dem eine mit Zink oder einer Zinklegierung beschichtete Platine aufgeheizt wird und nach dem Aufheizen umgeformt und abschreckgehärtet wird.

Wie erfindungsgemäß erkannt wurde darf möglichst keine Zinkschmelze mit Austenit während der Umformphase, also dem Eintrag von Spannung, in Berührung kommen. Erfindungsgemäß wird daher vorgesehen, die Umformung unter der peritektischen Temperatur des Systems Eisen-Zink (Schmelze, Ferrit, T-Phase) durchzuführen. Um hierbei eine Abschreckhärtung noch gewährleisten zu können wird die Zusammensetzung der Stahllegierung im Rahmen der üblichen Zusammensetzung eines Magnesium-Bohrstahles (22 MnB5) so eingestellt, dass eine Abschreckhärtung durch eine verzögerte Umwandlung des Austenits in Martensit und damit das Vorhandensein von Austenit auch bei der tieferen Temperatur unterhalb von 780°C oder tiefer durchgeführt wird, so dass in dem Moment in dem mechanische Spannung auf den Stahl eingebracht wird, welche in Verbindung mit einer Zinkschmelze und Austenit zum "liquid metal embrittlement" führen würde, eben keine oder nur noch sehr wenige flüssige Zinkphasen vorhanden sind. Somit gelingt es mittels eines entsprechend der Legierungselemente eingestellten Bor-Manganstahls eine ausreichende Abschreckhärtung zu erzielen ohne eine übermäßige oder schädigende Rissbildung zu provozieren.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, es zeigen dabei:

Figur 1:

eine Tabelle zeigend die Ofenverweildauer von mit einer 140 g/m² betragenden Zinkschicht beschichteten Stahlplatinen mit unterschiedlichen Transferzeiten ins Umformwerkzeug und damit verbundenen repräsentativen Risstiefen;

Figur 2:

die Zeit-Temperaturkurve bei der Abkühlung zwischen Ofen und Umformung;

Figur 3:

stark vergrößerte Bilder zeigend die Proben mit den unterschiedlichen Transferzeiten;

Figur 4:

Querschnittschliffdarstellungen der Proben nach Figur 3;

Figur 5:

das Zink-Eisen-Diagramm.

Erfindungsgemäß wird ein üblicher Bor-Manganstahl zur Verwendung als presshärtender Stahlwerkstoff bezüglich der Umwandlung des Austenits in andere Phasen so eingestellt, dass sich die Umwandlung in tiefere Bereiche verschiebt.

Für die Erfindung sind somit Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%): C [%] Si [%] Mn [%] P [%] S [%] Al [%] Cr [%] Ti [%] [%] B N [%] 0,22 0,19 1,22 0,0066 0,001 0,053 0,26 0,031 0,0025 0,0042 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen

Wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.

Für die Erfindung sind somit Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%): Kohlenstoff (C) 0,08-0,6 Mangan (Mn) 0,8-3,0 Aluminium (Al) 0,01 - 0,07 Silizium (Si) 0,01-0,5 Chrom (Cr) 0,02-0,6 Titan (Ti) 0,01-0,05 Stickstoff (N) 0,003-0,1 Bor (B) 0,0005 - 0.06 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen

Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnungen wie folgt (alle Angaben in Masse-%): Kohlenstoff (C) 0,08-0,30 Mangan (Mn) 1,00-3,00 Aluminium (Al) 0,03-0,06 Silizium (Si) 0,15-0,20 Chrom (Cr) 0,2-0,3 Titan (Ti) 0,03-0,04 Stickstoff (N) 0,004-0,006 Bor (B) 0,001-0,06 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen

Durch die Einstellung der als Umwandlungsverzögerer wirkenden Legierungselemente wird eine Abschreckhärtung, d. h. eine rasche Abkühlung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Abkühlgeschwindigkeit auch noch unter 780°C sicher erreicht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall unterhalb des Peritektikums des Systems Zink-Eisen gearbeitet wird, d. h. erst unterhalb des Peritektikums mechanische Spannung aufgebracht wird. Dies bedeutet ferner, dass in dem Moment in dem mechanische Spannung aufgebracht wird, keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind welche mit dem Austenit in Kontakt kommen können.

In Figur 1 erkennt man, dass diese unterschiedliche Ausgangstemperatur beim Härten durch unterschiedliche Transferzeiten aus dem Ofen in die Umformpresse erzielt wurden. Bei einer Transferzeit von 3 Sek. erkennt man stark ausgebildete tiefgehende Risse mit einer repräsentativen Risstiefe von 200 µm. Über Transferzeiten von 5 Sek. und 7 Sek. erkennt man, dass sowohl die Rissstärke als auch die Risstiefe sichtbar abnehmen, während bei einer Transferzeit von 9 Sek. soweit vorangeschritten ist, dass die Tief und Breite der Risse deutlich gesunken ist. Dies war in dieser Form so nicht zu erwarten, da der Fachmann trotz des bekannten Phänomens des liquid metal embrittlements davon ausgegangen wäre, dass eine sehr weiche duktile und viele flüssige Phasen entfaltende mehr oder weniger flüssige metallische Deckschicht dem Umformen besser folgen kann als eine bereits feste metallische Schicht.

Zudem kann nach dem Aufheizen der Platine man erfindungsgemäß im Temperaturbereich des Peritektikums eine Haltephase vorsehen, so dass die Erstarrung der Zinkbeschichtung gefördert und vorangetrieben wird bevor anschließend umgeformt wird.

Mit der Erfindung gelingt es somit, zuverlässig ein kostengünstiges Warmumformverfahren für mit Zink oder Zinklegierungen beschichteter Stahlbleche zu erreichen bei dem einerseits eine Abschreckhärtung herbeigeführt wird und andererseits Mikro- und Makrorissbildung, die zu Bauteilschäden führt, vermindert oder vermieden wird.