DE102017108837A1

DE102017108837A1 - Zinkbeschichtetes warmgeformtes stahlbauteil mit massgeschneiderten eigenschaften

Info

Publication number: DE102017108837A1
Application number: DE102017108837.7A
Authority: DE
Inventors: Jianfeng Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: CN107338345A; US10619223B2; CN107338345B; DE102017108837B4; US20170314088A1

Abstract

Es werden Verfahren zum selektiven Kühlen und Abschrecken von Oberflächenbereichen mit hochfestem Transformations-induziertem Plastizitäts-Stahl (TRIP) bereitgestellt. Das Verfahren kann das selektive Kühlen umfassen, das mindestens einen Bereich einer freiliegenden Oberfläche einer warmgeformten pressgehärteten Komponente mit einem hochfesten Stahl aufweist. Vor dem selektiven Kühlen umfasst die Komponente eine Mikrostruktur, die ≥ etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in einer Matrix aus Martensit aufweist. Das selektive Kühlen wird bei einer Temperatur von ≤ etwa –40 °C durchgeführt und bildet mindestens einen abgeschreckten Bereich mit ≤ etwa 2 Vol.-% Austenit. Der TRIP-Stahl kann verzinkt sein und eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, die Zink aufweist und im Wesentlichen frei von flüssiger Metallversprödung (LME) ist. Zinkbeschichtete, warmgeformte, pressgehärtete Komponenten, einschließlich Automobilbauteile, die mit derartigen Verfahren hergestellt werden, werden ebenfalls bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft zinkbeschichtete, warmgeformte Stahlbauteile mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Verfahren zur selektiven Anpassung der Eigenschaften von warmgeformten Stahlkomponenten durch selektives Kühlen und Abschrecken.
HINTERGRUND
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
In verschiedenen Fertigungsverfahren, wie bei der Herstellung im Automobilbau, können Blechplatten oder Blechzuschnitte gestanzt werden, worin die Blechplatten zwischen Formwerkzeugen gepresst werden, um eine komplexe, dreidimensional geformte Komponente zu erzeugen. Ein Blechzuschnitt wird üblicherweise zuerst aus einer Spule aus Metallmaterial geschnitten. Das Blechmaterial wird wegen seiner wünschenswerten Eigenschaften, wie Festigkeit, Duktilität und anderen Eigenschaften in Bezug auf die Metalllegierung gewählt.
Es wurden unterschiedliche Techniken verwendet, um das Gewicht eines Fahrzeugs zu reduzieren, unter Beibehaltung der strukturellen Integrität. So werden beispielsweise Blechzuschnitte (Tailor Welded Blanks, TWB) üblicherweise verwendet, um Bauteile für Fahrzeuge zu formen, die spezielle Lastanforderungen erfüllen müssen. Die B-Säule einer Fahrzeugkarosserie weist beispielsweise erwünschterweise eine relativ hohe strukturelle Steifigkeit im Körperbereich der Insassen auf, während sie eine erhöhte Verformbarkeit im unteren Bereich – bei oder unterhalb des Sitzes der Insassen – aufweist, um ein Knicken der B-Säule unterhalb des Sitzes zu erleichtern, wenn eine Kraft einwirkt oder bei einem Aufprall. Da das Bauteil in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Leistungsanforderungen hat, wurde dieses Bauteil aus mehreren unterschiedlichen Teilen zu einer „Tailored Blank“ (Blechzuschnitt) oder „Tailor Welded Blank“ (zusammengeschweißte Blechzuschnitte) zusammengebaut. Als nicht einschränkendes Beispiel, können aneinander geschweißte Blechzuschnitte zur Bildung von Bauteilen in Fahrzeugen verwendet werden, beispielsweise, tragenden Säulen (wie A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, und/oder D-Säulen), Scharniersäulen, Fahrzeugtüren, Dächern, Hauben, Kofferraumklappen usw. Motorschienen und andere Komponenten mit hohen Festigkeitsanforderungen.
Ein Blechzuschnitt beinhaltet typischerweise mindestens ein erstes Blech oder einen ersten Blechzuschnitt und ein zweites Metallblech oder einen zweiten Blechzuschnitt, das bzw. die sich mindestens in einer Eigenschaft vom ersten Blech unterscheidet. So können beispielsweise Stahlzuschnitte oder Stahlbänder mit unterschiedlicher Festigkeit, Duktilität, Härte, Dicke, und/oder Geometrie miteinander verbunden werden. Nach dem Zusammenfügen wird die gewünschte Kontur oder dreidimensionale Struktur geschaffen, beispielsweise, durch ein Kaltumformverfahren oder Warmformverfahren (z. B., wie dem vorstehend beschriebenen Stanzverfahren). Somit können aneinandergrenzende Kanten der ersten und zweiten Bleche metallurgisch oder mechanisch miteinander verzahnt werden, beispielsweise durch Herstellen einer Schweißverbindung, einem Anschluss oder einer anderen Verbindung entlang der angrenzenden Kanten, um sie miteinander zu verzahnen. Danach können die dauerhaft befestigten Bleche oder Zuschnitte verarbeitet werden, um ein geformtes Blechbaugruppenprodukt herzustellen. Bemerkenswerterweise ist die zugeschnittene Rohlingbaugruppe nicht beschränkt auf nur zwei Bleche oder Zuschnitte, sondern es können drei oder mehr Bleche oder Zuschnitte zusammengefügt und geformt werden, um die Anordnung zu bilden.
Die Herstellung der Blechzuschnitte ist jedoch aufgrund der vielen Schritte und beteiligten Fertigungsverfahren relativ kostenintensiv. Beispielsweise müssen die ursprünglichen Werkstück-Blechzuschnitte einzeln zugeschnitten, dann in einem Montageprozess zusammengefügt werden, und danach Form- und Umformverfahren unterworfen werden. Zusätzlich können aufgrund einer Fuge oder Verbindungsstelle, beispielsweise einer Schweißnaht, Probleme mit dem Bauteil entstehen. Beispielsweise kann die Schweißnaht oder Verbindungsstelle zwischen den Blechzuschnitten eine Stelle für lokalisierte Spannung sein, welche die Eigenschaften des Bauteils verändern und/oder potentiell einen vorzeitigen Ausfall verursachen kann. Des Weiteren kann in den nachfolgenden Warmformungsprozessen die Wirkung der Wärme vom Schweißen zu Änderungen der Schweißnaht führen, was letztlich zum Erweichen an der Schweißnaht bzw. den Schweißnähten im fertigen Bauteil führen kann, was potentiell die Qualität und Funktionalität eines derartigen Blechzuschnitts beeinträchtigen kann. Es wäre wünschenswert zur Herstellung von Bauteilen, die variable Eigenschaften in unterschiedlichen Bereichen aufweisen müssen, alternative, neue Verfahren zu entwickeln, insbesondere hochfeste Bauteile, die Blechzuschnitte ersetzen können.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum selektiven Abschrecken von Bereichen einer hochfesten Stahlkomponente bereit. Das Verfahren kann das selektive Kühlen wenigstens eines Bereichs einer warmgeformten pressgehärteten Komponente umfassen, die einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) umfasst.
Der TRIP-Stahl kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus:

(i) einem Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(ii) einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Die warmgeformte pressgehärtete Komponente weist eine Mikrostruktur auf, die mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% Restaustenit in einer Matrix aus Martensit umfasst. Die selektive Abkühlung kühlt den mindestens einen Bereich auf eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa –40 °C und bildet mindestens einen abgeschreckten Bereich mit weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit.

In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum selektiven Abschrecken von Bereichen einer hochfesten Stahlkomponente bereit, umfassend: selektives Abkühlen mindestens eines Bereichs einer verzinkten, warmgeformten, pressgehärteten Komponente, umfassend einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP), der eine Oberflächenbeschichtung aus Zink aufweist. Der TRIP-Stahl kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus:

(i) einem Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(ii) einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Die verzinkte, warmgeformte, pressgehärtete Komponente weist vor der selektiven Kühlung eine Mikrostruktur auf, die mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in einer Matrix aus Martensit zurückbehält. Die selektive Abkühlung kühlt den mindestens einen Bereich auf eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa –40 °C und bildet mindestens einen abgeschreckten Bereich mit weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit.

In noch anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine verzinkte, warmgeformte pressgehärtete maßgeschneiderte abgeschreckte Komponente bereit, die mindestens einen selektiv abgeschreckten Bereich umfasst, der weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit umfasst. Die Komponente umfasst einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) mit einer Zink aufweisenden Oberflächenbeschichtung. Der Stahl ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus:

(i) einem Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(ii) einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Die Komponente ist im Wesentlichen frei von flüssiger Metallversprödung (LME). In bestimmten Aspekten ist die Komponente ein maßgeschneiderter Rohling für eine Automobil- oder Fahrzeuganwendung.

Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
1 zeigt ein exemplarisches Schema einer hochfesten mit einer hohen Mangan-Transformations-induzierten Plastizität (TRIP) Stahllegierungs-Mikrostruktur mit einer Matrix aus Martensit mit einer verteilten Phase von zurückgehaltenem Austenit nach dem Warmumformen und Presshärten.
2 zeigt ein vereinfachtes Querschnittsschema eines verzinkten Blechzuschnitts mit einer auf zwei Seiten vor dem Warmumformen und Presshärten aufgebrachten Korrosionsbeschichtung.
3 zeigt ein exemplarisches Schema einer warmgeformten pressgehärteten hochfesten, hohen Mangan-Transformations-induzierten Plastizität (TRIP) Stahllegierungs-Mikrostruktur, die eine Matrix aus Martensit mit einer verteilten Phase von zurückgehaltenem Austenit in einem unteren Bereich und einem abgeschreckten Bereich, der selektiv gekühlt und gehärtet wird, gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt eine exemplarische vereinfachte Wirbelrohrkühlvorrichtung zum selektiven Kühlen eines Substrats einer warmgeformten, pressgehärteten hochfesten Hochmangan-Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahllegierung (TRIP) gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine exemplarische vereinfachte Trockeneisstrahlvorrichtung zum selektiven Kühlen eines Substrats einer warmgeformten, pressgehärteten hochfesten Hochmangan-Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahllegierung (TRIP) gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt eine repräsentative Vorderansicht einer hochfesten Strukturkomponente in Form einer herkömmlichen B-Säule für ein Fahrzeug, das gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung behandelt wird.
Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst,“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus.“ Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, ein Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“, und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu in der am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen, sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Wie hierin verwendet, sind alle Mengen Gew.-% (oder Masse-%), sofern nicht anders angegeben.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Wie hierin bezeichnet, zeigt das Wort „im Wesentlichen“ bei Anwendung auf eine Charakteristik einer Zusammensetzung oder eines Verfahrens dieser Offenbarung an, dass es Änderung in der Charakteristik ohne eine wesentliche Auswirkung auf die chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Zusammensetzung oder Verfahren geben kann.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von hochfesten Komponenten aus hochfesten Stahllegierungen, wie beispielsweise Transformations-induzierte Plastizitäts-Stähle (TRIP). Ein hochfester Stahl ist einer, der eine Reißfestigkeit von mehr als oder gleich etwa 1.000 Megapascal (MPa) aufweist, beispielsweise größer oder gleich etwa 1.400 MPa bis kleiner oder gleich etwa 2.200 MPa. In bestimmten Aspekten umfasst die hochfeste TRIP-Stahllegierung Mangan in relativ hohen Mengen, beispielsweise bei mehr als oder gleich etwa 4 % Masse oder Gewicht der Gesamtfestigkeit der hochfesten TRIP-Stahllegierungszusammensetzung. Eine derartig hochfeste TRIP-Stahllegierung mit Mangan in einer Nennmenge von über 4 Gew.-% kann als eine hochfeste hochmanganumwandlungsinduzierte Plastizität (TRIP) Stahllegierungsmikrostruktur oder Mn-TRIP-Stahl angesehen werden. In bestimmten Variationen kann die Mn-TRIP-Stahllegierung Mangan in größer oder gleich etwa 4 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung umfassen. Die hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung kann ferner Kohlenstoff umfassen der bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% vorliegt.
In bestimmten Variationen umfasst die hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung gegebenenfalls Mangan in größer oder gleich etwa 4 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung; Kohlenstoff, der bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% vorhanden ist; einer von mehreren der folgenden Legierungsbestandteile: Silizium, das größer oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% ist; Chrom bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-%; Titan, das bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Aluminium, das bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% vorliegt; Phosphor, der bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Schwefel, der weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% beträgt; und eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%, vorzugsweise bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, und einem Eisenrückstand vorliegen.
Geeignete Variationen einer hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung können einen 7Mn-TRIP-Stahl, einen 10-Mn-TRIP-Stahl und dergleichen beinhalten. 7Mn-TRIP-Stahl weist einen nominellen Mangangehalt von etwa 7 Gew.-% der gesamten Legierungszusammensetzung auf, während 10 Mn-TRIP-Stahl einen nominellen Mangangehalt von etwa 10 Gew.-% der gesamten Legierungszusammensetzung aufweist.
Andere hochfeste TRIP-Stahllegierungen können delta-TRIP-Stahl (δ-TRIP-Stahl) beinhalten, wobei die hochfeste TRIP-Stahllegierung eine größere Aluminiumkonzentration als Silizium aufweist. So kann beispielsweise ein Delta-TRIP-Stahl die folgende Zusammensetzung aufweisen: Aluminium, das bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung vorliegt; Mangan bei größer oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung; Kohlenstoff, der bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% vorliegt; einer von mehreren der folgenden Legierungsbestandteile: Silizium, das größer oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% ist; Chrom bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-%; Titan, das bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Phosphor, der bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% vorliegt; Schwefel, der weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% beträgt; und eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%, vorzugsweise bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, und einem Eisenrückstand vorliegen.
Als nicht einschränkendes Beispiel betreffen die Verfahren der vorliegenden Offenbarung bestimmte hochfeste TRIP-Stähle, wie beispielsweise einen Mn-TRIP-Stahl, einen Delta-TRIP-Stahl und dergleichen. In gewissen Aspekten weisen derartige hochfeste TRIP-Stahllegierungen eine Mikrostruktur mit einem zurückgehaltenen Austenit auf, der in einer Primärmatrix aus Martensit nach einem Heißpräge- und/oder Presshärtungsverfahren eingebettet ist. Eine ausgewählte hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20, wie in 1 gezeigt, beinhaltet zum Beispiel eine Matrix aus Martensit 22 mit einer verteilten Phase des zurückgehaltenen Austenits 24. Die im Schema dargestellten Phasen sind lediglich repräsentativ und können unterschiedliche Morphologie/Formen, Größen und Verteilungen aufweisen. Bemerkenswerterweise weisen andere hochfeste Legierungen, wie beispielsweise pressghärteter Stahl (PHS)/Borstähle, typischerweise etwa 100% Martensit nach dem Presshärten und Heißprägen auf. Jedoch weist die hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20 größer als oder gleich etwa 5 Volt.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Volt.-% des zurückgehaltenen Austenits 24 auf, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 8 Volt.-% bis kleiner oder gleich etwa 12 Volt.-% und in bestimmten Aspekten etwa 10 Volt.-% zurückgehaltenes Austenit.
Im Hintergrund kann die Warmverformung der ausgewählten hochfesten TRIP-Stähle, wie beispielsweise Mn-TRIP-Stahl und Delta-TRIP-Stahl, wie folgt durchgeführt werden. Ein Blech oder ein Rohling aus einer hochfester TRIP-Stahllegierung kann durch eine Warmverformung zu einer dreidimensionalen Komponente geformt werden. Eine derartige hochfeste dreidimensionale Komponente kann in eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Fahrzeug, eingebaut werden. Während die hochfesten Strukturen insbesondere zur Verwendung in Komponenten eines Kraftfahrzeugs oder für andere Fahrzeuge geeignet sind (z. B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Wohn- und Campingmobile und Panzer), können sie aber auch in einer Vielzahl von anderen Industriezweigen und Anwendungen, darunter Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Büroausrüstung und Möbel, industrielle Anlagen und Maschinen, Landmaschinen oder schwere Maschinen verwendet werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Nicht einschränkende Beispiele für Komponenten und Fahrzeuge, die mit der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Automobile, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohn- und Campingmobile sowie Panzer. Andere exemplarische Rahmenstrukturen, die mittels der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Gebäude, wie Wohn- und Bürogebäude, Brücken, Schuppen, Lagerhallen und Geräte. Das hochfeste Kraftfahrzeugbauteil kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Kipphebel, Stützpfeiler, A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, D-Säulen, Stoßfänger, Scharniersäulen, Querträger, Karosseriebleche, Fahrzeugtüren, Dächer, Hauben, Kofferraumdeckel, Motorschienen und Kombinationen davon in bestimmten Variationen.
Hochfeste TRIP-Stähle, die in PHS-Komponenten pressgehärtet sind, können einen kathodischen Schutz erfordern. Die PHS-Komponente kann vor der anwendbaren Vorkaltverformung oder vor der Austenitisierung beschichtet werden. Die Beschichtung der PHS-Komponente stellt eine Schutzschicht für das darunterliegende Stahlbauteil bereit. Derartige Beschichtungen beinhalten typischerweise eine Aluminium-Silizium-Legierung und/oder Zink. Zinkbeschichtungen bieten kathodischen Schutz; Die Beschichtung wirkt als Opferschicht und korrodiert statt der Stahlkomponente, auch wenn der Stahl freiliegt. Jedoch kann eine flüssige Metallversprödung (LME) auftreten, wenn ein metallisches System einem flüssigen Metall, wie z. B. Zink, während des Bildens bei hoher Temperatur ausgesetzt wird, was zu einer potentiellen Rissbildung und einer Verringerung der Gesamtdehnung oder einer verminderten Duktilität eines Materials führt. LME kann auch zu einer verminderten Zugfestigkeit führen. Um LME bei konventionellen PHS-Prozessen für konventionelle hochfeste Stähle zu vermeiden, werden zahlreiche weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt, die Verarbeitungszeit und Kosten hinzufügen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Blechzuschnittes 50, der aus einem Metallstock oder einer Spule in einem Stanzvorgang, beispielsweise durch Schneiden, gebildet sein kann. Der Blechrohling 50 beinhaltet eine Hauptbasisschicht 52, die aus einem hochfesten TRIP-Stahl gebildet ist, wie die zuvor vorstehend erläuterten Zusammensetzungen. Eine erste Überzugsschicht 54 kann auf einer ersten Seite 56 der Hauptbasisschicht 52 ausgebildet sein, während eine zweite Überzugsschicht 58 auf einer zweiten gegenüberliegenden Seite 60 der Hauptbasisschicht 52 ausgebildet sein kann. Die erste Überzugsschicht 54 und die zweite Überzugsschicht 58 können Korrosionsschutzbeschichtungen sein. Während sowohl auf der ersten als auch der zweiten Seite 56, 60 der Hauptbasisschicht 52 gezeigt, können die erste Überzugsschicht 54 und die zweite Überzugsschicht 58 wahlweise von einer oder beiden Seiten weggelassen werden. In bestimmten Aspekten umfassen die erste Überzugsschicht 54 und die zweite Überzugsschicht 58 Zink, zum Beispiel können derartige Beschichtungen Zink oder eine Legierung aus Zink sein und somit überwiegend Zink bei mehr als etwa 90% umfassen. Es sollte jedoch erkannt werden, dass die Zusammensetzung der ersten Überzugsschicht 54 und der zweiten Überzugsschicht 58 nicht darauf beschränkt ist, Zink zu umfassen, sondern kann ferner zusätzliche Elemente beinhalten. Der Blechrohling 50 durchläuft somit den Warmverformprozess, um eine dreidimensional geformte Komponente bereitzustellen.
Während des Warmverformens kann der Blechzuschnitt in einen Ofen oder eine andere Wärmequelle eingebracht werden. Die auf den Blechzuschnitt aufgebrachte Wärmemenge erwärmt und tränkt den Blechzuschnitt auf eine Temperatur von mindestens der Austenitisierungstemperatur des ausgewählten hochfesten TRIP-Stahls. Bei bestimmten Aspekten weist der hochfeste TRIP-Stahl eine Austenitisierungstemperatur (T1) von höher oder gleich etwa 750 °C bis kleiner oder gleich etwa 850 °C auf, wahlweise weniger als oder gleich etwa 782 °C in bestimmten Variationen. Eine derartige Austenitisierungstemperatur liegt weit unter derer für typische PHS/Borstähle (z. B. 22MnB5-Legierung mit niedrigem Manganspiegel und ohne Aluminium), die typischerweise bei einer Temperatur im Bereich von etwa 880 °C bis 950 °C austenitisiert werden. Wie weiter unten beschrieben wird, kann der Blechzuschnitt in bestimmten Aspekten eine Oberflächenschicht aufweisen, die für den Korrosionsschutz Zink aufweist. Zink weist eine Schmelztemperatur 420 ºC auf und beginnt bei 782 ºC mit Eisen über eine Eutektoidreaktion zu reagieren und bildet eine spröde Phase, die zu einer flüssigen Metallversprödung (LME) führt. Wenn die Temperaturen günstig sind (z. B. über 782 °C in einem hochfesten Mn-TRIP-Stahl) und das Zink ein flüssiges Metall ist, kann das Zink während der Verformungsprozesse frisch exponierte Korngrenzen (der Phase im Substrat) benetzen und eine Abkohäsion/Trennung entlang der Korngrenze verursachen. Das Zink greift somit Korngrenzen an, insbesondere dort, wo Austenit vorhanden ist, was unerwünschterweise mit LME zur Rissbildung führen kann. Der Blechzuschnitt wird für einen ausreichenden Zeitraum durchtränkt, um den hochfesten TRIP-Stahl auf einen gewünschten Pegel zu austenitisieren.
Nach dem Verlassen des Ofens kann der Blechzuschnitt in eine Stanzpresse übertragen werden. Die Stanzpresse kann eine Matrize mit einem Kühlsystem oder Mechanismus aufweisen. Die Form(en) kann beispielsweise ein Wasserkühlsystem aufweisen, das in der Technik gut bekannt ist. Die Matrize ist so entworfen, dass um eine gewünschte endgültige dreidimensionale Form der Komponente aus dem austenitisierten Blechrohling zu bilden. Die Matrize kann eine erste Formdüse und eine zweite Formdüse beinhalten, die zusammengebracht werden, um die gewünschte Endform der dreidimensionalen Komponente dazwischen zu bilden.
Die gekühlten Matrizen können somit den geformten Blechrohling kontrolliert über Oberflächen der gebildeten Komponente abschrecken, um eine Phasentransformation von Austenit zu Martensit zu bewirken. Daher können die erste und die zweite Matrize zusammenwirken, um als Wärmesenke zu dienen, wobei Wärme von der geformten Komponente abgeleitet und anderweitig abgekühlt wird. In bestimmten Variationen weist der hochfeste TRIP-Stahl eine kritische Abkühlrate auf, welche die langsamste Abkühlrate ist, um einen gehärteten martensitischen Zustand von mehr als etwa 70 Volt.-% in der Komponente zu erzeugen. In einem Aspekt ist die kritische Abkühlrate für den hochfesten TRIP-Stahl nicht größer als etwa 10 Kelvin/Sekunde (K/s). Es sollte jedoch erkannt werden, dass hochfester TRIP-Stahl niedrigere kritische Abkühlraten aufweisen kann, wie beispielsweise 1 K/s. Die ausgewählten hochfesten TRIP-Stähle der vorliegenden Offenbarung reduzieren nicht nur die Austenitisierungstemperatur stark, sondern verschieben auch die ferritischen und perlitischen Transformationskurven des kontinuierlich abkühlenden Transformations-Diagramms (CCT) nach rechts, sodass die kritische Abkühlrate kann langsamer sein kann. Die untere kritische Abkühlrate verbessert die Härtbarkeit des TRIP-Stahls und macht die Verarbeitungsbedingungen weniger anspruchsvoll. Die untere kritische Abkühlrate weist zum Beispiel folgende Auswirkung auf die Formgebung auf: (i) weniger Bedarf an komplexen Kühlkanälen, (ii) weniger Empfindlichkeit zum Wiederholen des Werkzeugs und/oder (iii) geringerer Bedarf an Gleichmäßigkeit der Abkühlrate. Allerdings kann die Matrize immer noch so schnell wie möglich abgekühlt werden, um die Verarbeitung durchzuführen.
Während des Warmverformens der dreidimensionalen Komponente wird die Temperatur des Blechrohlings wünschenswerterweise unter etwa 782 ºC gehalten, um zu vermeiden, dass eine Zink-Eisen (ZnFe) Phase/Verbindung zu vermeiden, die Zink aus den Überzugsschichten (die erste Überzugsschicht 54 und die zweite Überzugsschicht 58 im Blechrohling 50 aus 2) abbaut. Auf diese Weise kann LME, wie vorstehend beschrieben, deutlich reduziert oder beseitigt werden. Als solches führt eine erhöhte Zinkkonzentration auf der warmverformten Komponente zu einem verbesserten Korrosionsschutz.
Dementsprechend ist bei den Variationen, bei denen das Ausgangsmaterial ein- oder beidseitig eine Zinkbeschichtung aufweist, die pressgehärtete Komponente im Wesentlichen frei von Flüssigmetallversprödung ist. Die Zinkbeschichtung kann durch herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Feuerverzinken, aufgebracht werden. Der Begriff „im Wesentlichen frei” wie hierin erwähnt, bedeutet, dass die LME-Mikrostrukturen und -defekte in dem Ausmaß fehlen, dass unerwünschte physikalische Eigenschaften und Einschränkungen, die mit ihrer Anwesenheit verbunden sind, minimiert oder vermieden werden (z. B. Rissbildung, Verlust der Duktilität und/oder Festigkeitsverlust). In bestimmten Ausführungsformen umfasst eine PHS-Komponente, die „im Wesentlichen frei” von LME-Defekten ist, weniger als etwa 5 Gew.-% der LME-Spezies oder Defekte, bevorzugt sind weniger als etwa 4 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 3 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 2 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 1 Gew.-%, gegebenenfalls weniger als etwa 0,5 Gew.-% und in bestimmten Ausführungsformen 0 Gew.-% Der LME-Spezies oder -defekte.
Es ist somit ein Verfahren zum Presshärten einer hochfesten TRIP-Stahllegierung vorgesehen, bei dem ein Rohling mit einer verzinkten hochfesten TRIP-Stahllegierung hergestellt wird. Der Rohling wird auf eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa 782 °C erwärmt, um die zinkbeschichtete Stahllegierung teilweise austenit zu machen. Der Rohling wird dann gehärtet und in einer Matrize abgeschreckt, um eine pressgehärtete Komponente mit einer mehrphasigen Mikrostruktur zu bilden, wie beispielsweise die exemplarische Mikrostruktur 20, die in 1 ausgebildet ist. Während der zurückgehaltene Austenit 26 in der Martensitmatrix 24 eine größere Duktilität und/oder Energieabsorption bereitstellt, verringert der zurückgehaltene Austenit 26 in der Martensitmatrix 24 auch eine Härte im Vergleich zu einer vollständig martensitischen Mikrostruktur. In bestimmten Aspekten wird nach der Warmverformung/Presshärtung eine Mikrostruktur gebildet, die ein zurückgehaltenes Austenit aufweist, das bei mehr als oder gleich etwa 5% bis weniger als oder gleich etwa 30 Volt.-% und einem Gleichgewicht von Martensit bei mehr als oder gleich etwa 70 Volt.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Volt.-% liegt. In bestimmten Variationen stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur selektiven Erhöhung der Härte der ausgewählten hochfesten TRIP-Stahllegierungen nach diesen Warmverformungsprozessen durch ein selektives Kühl- und Abschreckverfahren bereit.
In bestimmten Aspekten wird die Härte durch einen selektiven Kühlprozess erhöht, wobei die Oberfläche durch Abkühlen abgeschreckt und somit gehärtet wird. Das Unterwerfen eines oder mehrerer Bereiche der warmgeformten Komponente zur selektiven Kühlung dient dazu, zurückgehaltenes Austenit nahe der Oberfläche des Teils in Martensit umzuwandeln. Auf diese Weise werden verschiedene Mikrostrukturen durch verschiedene Bereiche des Bauteils gebildet wobei die Mikrostruktur infolge eines hohen Volumens an Martensit, z. B. 98–100% Martensit, in einen Bereich übergeht, in dem die Mikrostruktur weniger Martensit aufweist, beispielsweise größer als oder gleich etwa 70 Vol.-% bis weniger als oder gleich 95% Volumen, wobei der Restaustenit beibehalten wird.
Wie in 3 gezeigt, weist eine warmgeformte, pressgehärtete, ausgesetzte, hochfeste Mn-TRIP-Stahllegierung 20A eine Mikrostruktur auf, die eine Matrix aus Martensit 22 mit einer verteilten Phase des zurückgehaltenen Austenits 24 beinhaltet. Die im Schema dargestellten Phasen sind lediglich repräsentativ und können unterschiedliche Morphologie/Formen, Größen und Verteilungen aufweisen. Jedoch wurde ein abgeschreckter Bereich 28 selektiv gekühlt und umfasst daher eine Martensit-Mikrostruktur 30. In bestimmten Variationen liegt der Martensit 30 im abgeschreckten Bereich 28 bei größer als oder gleich etwa 98 Vol.-%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 99 Vol.-%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 99,5 Vol.-%, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 99,7 Vol.-% und in bestimmten Variationen, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 99,9 Vol.-% Martensit 30. Anders ausgedrückt ist der Restaustenit im abgeschreckten Bereich 28 kleiner oder gleich etwa 2 Vol.-%, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-%, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 0,5 Vol.-%, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 0,3 Vol.-%, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 0,1 Vol.-%.
Ein unterer Bereich 32 der hochfesten Mn-TRIP-Stahllegierung 20A bleibt intakt und ungehärtet, wobei er daher mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Vol.-% des zurückgehaltenen Austenits 24, gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 8 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Vol.-% und in bestimmten Aspekten etwa 10 Vol.-% zurückgehaltenes Austenit in der Matrix von Martensit 22 aufweist. Wie ersichtlich ist, wird Restaustenit im abgeschreckten Bereich 28 zumindest teilweise in Martensit umgewandelt. Ein Übergangsbereich 34 zwischen dem abgeschreckten Bereich 28 und dem abgeschreckten unteren Bereich 32 kann abhängig von der Art und dem Ausmaß des Oberflächenhärteverfahrens gebildet werden.
Ein selektiver Kühlprozess wird auf einem warmgeformten Teil verwendet, um die Oberfläche zu verformen, die Austenit zu Martensit beibehalten hat und somit einen gehärteten und abgeschreckten Bereich bildet, während die abgeschreckte Mikrostruktur gleich bleibt. Beim Abkühlen verwandelt sich der Restaustenit nahe der Oberfläche in Martensit und erhöht so die Festigkeit des Materials. Auf diese Weise kann der abgeschreckte Bereich größere Härtegrade aufweisen, während der nicht abgeschreckte Bereich größere Duktilitäts- und/oder Energieabsorptionseigenschaften aufweist. Restaustenit verbessert die Duktilität, da es sich bei der Verformung zu Martensit verwandelt und somit den Bruch verzögert. Daher verbessert der Restaustenit auch die Energieabsorption. In bestimmten Variationen kann der/die selektiv abgeschreckte(n) Bereich(e) eine größere Zugfestigkeit aufweisen als die nicht abgeschreckten Bereich(e). Mittels eines nicht einschränkenden Beispiels kann eine repräsentative Festigkeit im abgeschreckten Bereich größer oder gleich etwa 1.400 MPa sein, während der nicht abgeschreckte Bereich eine Festigkeit von weniger als oder gleich etwa 1.400 MPa aufweisen kann. Die mechanische Leistung der warmgeformten Komponente ist nach dem selektiven Kühlprozess deutlich verbessert, wie beispielsweise Ermüdungsfestigkeit und die statische/dynamische Belastbarkeit.
Der selektiv abgeschreckte und gehärtete Bereich kann auf ausgewählten Bereichen eines dreidimensionalen pressgehärteten Teils gebildet werden. In verschiedenen Aspekten ist der selektive Kühlprozess auf ausgewählte Bereiche der Komponente gerichtet, um zwei verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Mikrostrukturen bereitzustellen. Somit weist der mindestens eine selektiv abgeschreckte Bereich eine erste Mikrostruktur auf und ist benachbart zu einem oder mehreren nicht abgeschreckten Bereichen der Komponente mit einer zweiten Mikrostruktur. Es kann ein Übergang zwischen der ersten und der zweiten Mikrostruktur auftreten, deren Dicke abhängig des selektiven Kühlprozesses variieren kann, um den mindestens einen selektiv abgeschreckten und gehärteten Bereich zu bilden.
In bestimmten Aspekten kann der selektive Kühlprozess selektiv mindestens einen Bereich einer warmgeformten, pressgehärteten Komponente, die aus einem hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) gebildet ist, auf eine Temperatur von weniger als oder gleich –40 °C abschrecken und kühlen. Die Temperatur der Komponente wird reduziert, um die Umwandlung von Restaustenit, das metastabil ist, in Martensit zu induzieren. In bestimmten Aspekten ist die Temperatur niedriger oder gleich etwa –0 °C, optional niedriger als oder gleich etwa –10 °C, optional niedriger als oder gleich etwa –25 °C, gegebenenfalls in bestimmten bevorzugten Aspekte niedriger als oder gleich etwa –40 °C, optional niedriger als oder gleich etwa –50 °C, optional niedriger als oder gleich etwa –60 °C, optional niedriger als oder gleich etwa –70 °C und in bestimmten Variationen, optional niedriger als oder gleich etwa –75 °C.
In bestimmten Aspekten ist die gezielte Kühlung erreicht, indem ein oder mehrere vorbestimmte Bereiche einer warmgeformten, pressgehärteten Komponente mit einem hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) mit einem Kühlmedium in Kontakt gebracht werden. In bestimmten Aspekten kann die Kontaktierung durch Eintauchen oder Tauchen des mindestens einen Bereichs der Komponente in ein Kühlmedium, wie beispielsweise ein Bad oder einen Bewegungsstrom des Kühlmediums, erreicht werden. In einem derartigen Verfahren können exemplarische Kühlmedien aus der Gruppe ausgewählt werden bestehend aus: Wasser, flüssigem Stickstoff und Kombinationen davon. In anderen Aspekten kann das selektive Kühlen das Sprühen des mindestens einen Bereichs der Komponente mit einem Kühlmedium umfassen. In bestimmten Aspekten kann der Sprühnebel unter Druck gesetzt und über eine Düse geleitet werden. Das Kühlmedium kann in Form eines Gases, eines Dampfes oder Nebels, einer Flüssigkeit und/oder eines Feststoffs vorliegen. So kann beispielsweise das Kühlmedium für ein derartiges Verfahren aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Luft, Wasser, flüssigem Stickstoff, festem Kohlendioxid (z. B. Trockeneispartikeln) und Kombinationen davon. Das Kühlmedium wird auf den einen oder mehrere ausgewählte Bereiche der Komponente gerichtet oder kontaktiert, um das Kühlen, Abschrecken und damit die Umwandlung von Restaustenit in Martensit zu induzieren. Bestimmte Bereiche der Komponente können vor der Exposition gegenüber selektiver Kühlung durch Verwendung der Abschirmung mit einer Maske/Schutzbarriere geschützt werden, oder indem das Kühlmedium auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche gerichtet wird.
In bestimmten Aspekten weist das Kühlmedium eine Temperatur auf, wenn es auf den einen oder mehrere ausgewählte Bereiche des Substrats gerichtet wird, von weniger als oder gleich etwa –40 °C, optional weniger als oder gleich etwa –50 °C, optional weniger als oder gleich etwa –60 °C, optional weniger als oder gleich etwa –70 °C und in bestimmten Variationen, optional weniger als oder gleich etwa –75 °C.
In bestimmten Variationen kann eine selektive Kühlung unter Verwendung eines Wirbelrohrs durchgeführt werden, das kalte Luft oder Nebel erzeugt, die auf die Komponente gerichtet werden können. Eine exemplarische vereinfachte Wirbelrohrkühlvorrichtung 80 ist in 4 dargestellt. Die Wirbelrohrkühlvorrichtung 80 beinhaltet einen Drucklufteinlass 82, durch den Druckluft strömt und in eine stationäre Wirbelerzeugungskammer 84 eintritt. Druckluft kann bei 70 °F (ca. 21 °C) eingebracht werden. Es wird sowohl ein äußerer Wirbelstrom 86 erzeugt als auch ein innerer Wirbelstrom 88 gebildet. Der äußere Wirbelstrom 86 gewinnt Wärme aus der Energie, die im inneren Wirbelstrom 88 verloren geht. Die Warmluftbabsaugung 90 (z. B. mit einer Temperatur von mehr als 230 °F (etwa 110 °CH) kann mithilfe eines einstellbaren Steuerventils 92 aus der Wirbelrohrkühlvorrichtung 80 entlüftet werden. Restluft strömt zurück zur stationären Wirbelerzeugungskammer 84 und erzeugt so den inneren Wirbelstrom 88, der Energie verliert und gekühlt wird. Ein gekühlter Luftstrom 94 durchdringt die stationäre Wirbelerzeugungskammer 84 und über einen Auslass 96, wobei er auf einen Zielbereich 98 einer Substratoberfläche 100 gerichtet ist, um selektiv gekühlt und abgeschreckt zu werden. Das Substrat 100 oder die Wirbelrohrkühlvorrichtung 80 kann relativ zueinander bewegt werden, um verschiedene Zielbereiche 98 der Substratoberfläche 100 zu bedecken. Das Volumen und die Temperatur des gekühlten Luftstroms 94 können durch Einstellen des einstellbaren Steuerventils 92 gesteuert werden. Bei bestimmten Betriebsarten ist der gekühlte Luftstrom 94 supergekühlt und kann eine Temperatur von –40 °F (etwa –40 °C) aufweisen.
In anderen Variationen kann die selektive Kühlung das Kugelstrahlen mit kalten Medien, wie Trockeneis (festes Kohlendioxid), beinhalten. Durch die Verwendung einer derartigen Strahlvorrichtung kann die Komponente selektiv sowohl durch Absenken der Temperatur als auch durch mechanisches Bearbeiten induziert werden. Eine exemplarische vereinfachte Trockeneis-Strahlvorrichtung 110 ist in 5 dargestellt, wobei Druckgas, wie z. B. Druckluft 112, über einen Einlass 114 eingeführt und in Leitungen 116 über die gesamte Vorrichtung 110 transportiert wird. Ein Zuführtrichter 116 enthält Kühlmedien in Form von Pellets oder Partikeln 120. In bestimmten Variationen können die Partikel oder Pellets 120 Trockeneispartikel sein. Trockeneis oder verfestigtes Kohlendioxid hat eine durchschnittliche Temperatur von etwa –108,4 °F (–78 °C) oder niedriger. Der Zuführtrichter 116 kann isoliert sein oder Kühlsysteme aufweisen. Die Partikel 120 werden in eine Kammer 122 an einem Einlass 124 zugeführt. Ein Strom von Druckgas tritt in die Kammer 122 nahe dem Zuführtrichter 116 ein und kann verwendet werden, um die Partikel 120 zu insufflieren und damit ihre Strömung in die Kammer 122 zu erleichtern. Wiederum kann die Kammer 122 isoliert sein oder getrennte Kühlsysteme aufweisen. Die Kammer 122 weist einen Auslass 126 auf, der ein zugehöriges Dosier-/Ventilsystem beinhalten kann, um die Strömung sowohl der Druckluft 112 als auch der Partikel 120 zu regulieren. Nach dem Auslass 126 wird eine Vielzahl von Partikeln 120 in Druckluft 112 mitgerissen und in eine Leitung 128 einer Düse 130 zugeführt, die einen Strömungsregler (nicht gezeigt) beinhalten kann. Eine Vielzahl von Partikeln 120 werden aus einem Düsenauslass 132 ausgestoßen und auf einen Zielbereich 140 einer Substratoberfläche 142 gerichtet, um selektiv gekühlt und abgeschreckt zu werden. Das Substrat 142 oder die Düse 130 können relativ zueinander bewegt werden, um verschiedene Zielbereiche 140 der Substratoberfläche 142 zu bedecken. Diese Verfahren zum selektiven Kühlen des vorstehend erläuterten Substrats veranschaulichen geeignete Ausführungsformen, jedoch wurden auch andere Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Kühlen eines Stahlsubstrats in alternativen Variationen der vorliegenden Offenbarung ebenfalls in Betracht gezogen.
Eine nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelte Mikrostruktur kann ein warmgeformtes pressgehärtetes Teil mit verbesserter Biegebeständigkeit aufweisen, indem die Festigkeit in der Nähe der Oberfläche erhöht wird, wobei zusätzliches Martensit durch selektives Kühlen und Abschrecken erzeugt wird. Weiterhin kann das selektive Abkühlungsverfahren, insbesondere wenn das Kühlmedium Partikel beinhaltet, die Risiken der Mikrorissausbreitung in der Zinkbeschichtung der pressgehärteten Komponente durch Einbringen von Druckrestspannung an der Oberfläche nach dem Richten von Partikeln auf die Oberfläche zur selektiven Kühlung abschwächen. Dementsprechend kann das selektive Kühlen einer pressgehärteten Komponente die Funktionsfähigkeit eines warmgeformten Stahlbauteils (verzinkt oder blank) verbessern, wie beispielsweise die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit und die Auswirkungen unter Gebrauchslast (insbesondere Biegebelastungen).
Bei bestimmten anderen Aspekten weisen warmgeformte Komponenten mit einer Zinkbeschichtung, die gemäß den vorliegenden Lehren gebildet wurde, eine verbesserte Korrosionsschutzleistung im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-Silizium-beschichteten, pressgehärteten Stahlkomponenten. Wie vorstehend erwähnt, liegt die Austenitisierungstemperatur unterhalb der Temperatur, bei der unerwünschte Verbindungen zwischen Zink und Eisen entstehen, wodurch die LME minimiert wird. Nach der Warmverformung schließt der selektive Abkühlprozess die Mikrorisse in einer Zinkbeschichtung weiter und minimiert so das Risiko einer Rissausbreitung, die Korrosion verursachen kann. Die vorliegende Technologie ermöglicht somit zinkbeschichtete, pressgehärtete Komponenten aus hochfestem TRIP-Stahl mit verbessertem Korrosionsvermögen bei geringeren Kosten (im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-Silizium-Beschichtungen).
Die vorliegende Offenbarung stellt somit in gewissen Aspekten eine verzinkte, warmgeformte, pressgehärtete Komponente bereit. Eine derartige Komponente kann ein maßgeschneiderter abgehärteter Rohling sein. Die Komponente umfasst mindestens einen nach dem Warmumformen und Presshärten gebildeten abgeschreckten und gehärteten Bereich. Der gehärtete Bereich umfasst weniger als oder gleich etwa 2 Vol.-% Austenit und in bestimmten Aspekten, gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit, während ein zweiter nicht abgehärteter Bereich, mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% Restaustenit in einer Matrix aus Martensit umfasst. Die Komponente kann einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP) mit einer Zink aufweisenden Oberflächenbeschichtung umfassen. Die Komponente ist im Wesentlichen frei von flüssiger Metallversprödung (LME). Der TRIP-Stahl kann aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus:

(i) einem Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und
(ii) einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%. Jeder der zuvor bereits erläuterten TRIP-Stähle kann die verzinkte, warmgeformte, pressgehärtete Komponente bilden. Ebenso kann die Oberflächenbeschichtung Zink umfassen, wie die zuvor beschriebene.

6 zeigt eine repräsentative Vorderansicht eines hochfesten Bauteils in Form einer B-Säule 150 für ein Kraftfahrzeug. Es ist anzumerken, dass 6 eine repräsentative vereinfachte Version der B-Säule 150 zeigen und viele zusätzliche Teile aufweisen kann, die miteinander verbunden sein können, um die B-Säule 150 zu bilden. Die B-Säule 150 sollte in ihrem mittleren Abschnitt 152 eine extreme Festigkeit aufweisen, aber ein Gleichgewicht von Festigkeit und Duktilität in ihrem oberen Abschnitt 154 und dem unteren Abschnitt 156. Die Kombination dieser verschiedenen Eigenschaften fördert das Knicken an einer gewünschten Position, wenn eine Kraft oder ein Aufprall auf die B-Säule 150 ausgeübt wird, die dem Sitzniveau innerhalb des Fahrzeuginnenraums entsprechen kann, um die Insassen nach dem Aufbringen der Kraft oder des Aufpralls zu schützen. Somit wurde in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung der mittlere Abschnitt 152 abgeschreckt und selektiv gekühlt, während der obere Abschnitt 154 und der untere Abschnitt 156 nicht abgeschreckt ist und nicht behandelt wurden. Das selektive Kühlen und Abschrecken des Mittelabschnitts 152 erhöht die Festigkeit und Härte des Bereichs, in dem ein Aufprall oder eine Kraft empfangen werden kann. Der obere Abschnitt 154 und der untere Abschnitt 156 der B-Säule 150 weisen Restaustenit und damit eine größere Fähigkeit auf, Aufprallenergie zu absorbieren. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können hochfeste strukturelle Kraftfahrzeugkomponenten hergestellt werden, wobei ausgewählte Bereiche gekühlt und bei Bedarf maßgeschneidert abgeschreckt werden. Wie vorstehend erläutert, können die hochfesten strukturellen Automobilkomponenten ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus: Kippschienen, Stützpfeilern, A-Säulen, B-Säulen, C-Säulen, D-Säulen, Stoßfänger, Scharniersäulen, Querträger, Karosseriebleche, Fahrzeugtüren, Dächer, Hauben, Kofferraumdeckel, Motorschienen und Kombinationen davon in bestimmten Varianten.
Auf diese Weise stellt die vorliegende Offenbarung verschiedene Arten der Abkühlung ausgewählter Bereiche auf einer warmgeformten Stahlkomponente bereit, die aus einem hochfesten Presshärtungsstahl (PHS) hergestellt ist, der Restaustenit in Martensit umwandelt. Dies führt zu maßgeschneiderten Eigenschaften über die warmgeformte Stahlkomponente, wobei einige Bereiche (z. B. nach dem Abkühlen auf eine Unter-Null-Temperatur nach dem Warmformen) robuster als andere sind. Dies ermöglicht das Bilden von maßgeschneiderten Rohlingen mit maßgeschneiderten Eigenschaften, während die Kosten reduziert werden, indem die Verwendung anderer komplizierterer/teurer Lösungen vermieden wird. In bestimmten Aspekten weist eine verzinkte PHS-Komponente maßgeschneiderte Eigenschaften auf, welche die Masse reduzieren (verglichen mit einem PHS-Teil mit monolithischen Eigenschaften) zu reduzierten Kosten (im Vergleich zu anderen Lösungen für maßgeschneiderte Eigenschaften, wie z. B. maßgeschneiderte/maßgeschweißte Rohlinge).
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zum selektiven Abschrecken von Bereichen eines hochfesten Stahls Komponente, das Verfahren umfassend: das selektive Kühlen von mindestens einem Bereichs einer warmgeformten pressgehärteten Komponente, umfassend einen hochfesten Transformations-induzierten Plastizitäts-Stahl (TRIP), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: einem Mn-TRIP Stahl umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% zu weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% und einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; und Kohlenstoff an größer oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 0,5 Gew.-%, worin die warmgeformte pressgehärtete Komponente eine Mikrostruktur aufweist, die mehr als oder gleich etwa 5 Vol.-% Restaustenit in einer Matrix aus Martensit aufweist, worin das selektive Abkühlen den mindestens einen Bereich auf eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa –40 °C löscht und abkühlt und mindestens einen abgeschreckten Bereich mit weniger als oder gleich etwa 1 Vol.-% Austenit bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das selektive Kühlen das Eintauchen des mindestens einen Bereichs der Komponente in ein Kühlmedium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Kühlmedium ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Wasser, flüssigem Stickstoff, festem Kohlendioxid und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das selektive Kühlen das Sprühen des mindestens einen Bereichs mit einem Kühlmedium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Kühlmedium ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Luft, Wasser, flüssigem Stickstoff, festem Kohlendioxid und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Kühlmedium eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa –60 °C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der hochfeste Transformations-induzierte Plastizitäts-Stahl (TRIP) Folgendes ist: (i) ein Mn-TRIP-Stahl, umfassend: Mangan (Mn) bei größer oder gleich etwa 4 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 12 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung und Kohlenstoff (C) bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,4 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Silizium (Si) bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Chrom (Cr) bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Titan (Ti) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Aluminium (Al) bei weniger als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Phosphor (P) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Schwefel (S) bei weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung vorliegen; und Eisenrückstände, oder (ii) einen delta-TRIP Stahl umfassend: Aluminium (Al) bei mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 6 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Mangan an größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahl Zusammensetzung; Kohlenstoff bei mehr als oder gleich etwa 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Silizium (Si) bei mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Chrom (Cr) bei weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Titan (Ti) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Phosphor (P) bei weniger als oder gleich etwa 0,2 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; Schwefel (S) bei weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung; eine oder mehrere Verunreinigungen, die kumulativ bei weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung vorliegen; und Eisenrückstände.
Verfahren nach Anspruch 1, vor dem selektiven Kühlen ferner umfassend: Erwärmen eines Rohlings mit einem hochfesten TRIP-Stahl auf eine Temperatur von weniger als oder gleich etwa 782 °C, um den hochfesten TRIP-Stahl austenitisieren; und Aushärten des Rohlings in mindestens einer Matrize zum Pressen und Abschrecken des Rohlings unter Bildung der warmgeformten pressgehärteten Komponente.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der mindestens eine abgeschreckte Bereich weniger als 0,5 Vol.-% Austenit umfasst.