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WO2017055083A1 - Herstellung von halbzeugen und strukturbauteilen mit bereichsweise unterschiedlichen materialdicken - Google Patents

Herstellung von halbzeugen und strukturbauteilen mit bereichsweise unterschiedlichen materialdicken Download PDF

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WO2017055083A1
WO2017055083A1 PCT/EP2016/071629 EP2016071629W WO2017055083A1 WO 2017055083 A1 WO2017055083 A1 WO 2017055083A1 EP 2016071629 W EP2016071629 W EP 2016071629W WO 2017055083 A1 WO2017055083 A1 WO 2017055083A1
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WO
WIPO (PCT)
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composite material
outer layers
layer
content
weight
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2016/071629
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha Sikora
Stefan Myslowicki
Jens-Ulrik Becker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CN201680057994.8A priority patent/CN108138251A/zh
Priority to US15/763,886 priority patent/US10710132B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C23C2/04—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
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    • B21B2261/00—Product parameters
    • B21B2261/22—Hardness

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a semifinished product with regions of different material thicknesses. Furthermore, the invention relates to a method for producing a structural component with regions of different material thicknesses.
  • Such structural components are used in vehicle construction and may be formed, for example, as a bumper cross member, side impact beams or columns.
  • the structural components have regions with different material thicknesses, wherein regions with a greater material thickness have an increased flexural rigidity and regions with a smaller material thickness have a lower flexural rigidity. By deliberately providing areas of lesser material thickness at those locations where high flexural rigidity is not required, the weight of the structural components can be reduced.
  • a method for producing such a structural component with regions of different material thicknesses is known.
  • a metal strip is formed by a flexible rolling method.
  • the metal strip is rolled in a nip between two rolls.
  • the nip is changed during rolling, so that a semi-finished product is obtained with regions of different material thickness.
  • From the semi-finished form blanks are cut, which are formed in a subsequent hot forming process to form a structural component.
  • the material of the metal strip solidifies, whereby the formability of the metal strip deteriorates.
  • the maximum differences in material thickness that can be generated by the flexible rolling are limited by the solidification of the material. This also limits the reduction of the weight of the component.
  • the object is achieved by a method for producing a semifinished product with regions of different material thicknesses, wherein a multilayer, metallic composite material is provided which has a plurality of layers with different ductility and in particular different solidification behavior, and wherein the composite material in a method for flexible rolling by a between rolled roll formed nip rolls, which is changed so that regions of different thickness are formed.
  • the multilayer, metallic composite material has a layer structure with several metallic layers, which have a different ductility, so that the hardening behavior of the layers differs. In this way, a composite material can be provided, which has a total compared to a monolithic hot-forming steel less pronounced solidification behavior.
  • regions of different material thickness are produced by changing the roll gap while the material composite is guided through the rolls.
  • the relative ratio of the thicknesses of the individual layers of the material composite is maintained during flexible rolling. It is therefore possible to produce thicker regions and thinner regions of the material composite which have an identical relative layer thickness distribution. It has been found that a greater degree of rolling can be achieved when rolling the composite material having a plurality of layers with different ductility.
  • the ductility and thus the solidification behavior of the individual layers of the composite material can be determined, for example, on the basis of flow curves of the materials of the individual layers.
  • a flow curve the yield stress kf is plotted against the degree of deformation phi.
  • Such flow curves can be determined in the tensile test according to DIN EN ISO 6892-1 or according to SEP 1220 with a strain rate of, for example, 0.004 1 / s.
  • Such materials which have a lower yield stress at a given degree of deformation, a higher ductility and thus a lower solidification by deformation.
  • the layers of the material composite preferably differ in a predetermined range of the degree of deformation phi, for example in a range from 0.05 to 0.15, advantageously in a range from 0.05 to 0.1 Yield stresses kf (according to SEP 1220 with a strain rate of, for example, 0.004 1 / s).
  • the elongation at break can be used to determine the ductility. The elongation at break indicates the extension of a sample after a tensile break with respect to its initial length.
  • the layers of the material composite are preferably layers of a steel material.
  • the layers are particularly preferably formed from different steel materials or different steel alloys.
  • the material composite is preferably provided as a strand-shaped, in particular band-shaped, composite material.
  • the composite material is reelable.
  • regions with different material thickness can be formed in the strand-shaped, in particular band-shaped, material composite, which regions are adjacent in a longitudinal direction of the material composite.
  • the method for flexible rolling is carried out at room temperature, so that the composite material is rolled at room temperature. It is therefore not necessary to heat the composite material, so that no energy has to be expended for heating the composite material.
  • the step of flexible rolling may replace a cold rolling step in a conventional manufacturing process.
  • the method for flexible rolling is performed above the austenitizing temperature of the layers of the composite material.
  • the composite material is insofar rolled at a temperature above the Austenitmaschinestemperatur the layers of the composite material, in particular at a temperature in the range of 700 ° C to 1300 ° C, preferably in the range of 880 ° C to 920 ° C, particularly preferably at 900 ° C.
  • a configuration in which the composite material has a central position is advantageous, a first outer layer being arranged on a first side of the middle layer and a second outer layer being arranged on a second side of the middle layer opposite the first side.
  • the composite material may have a layer structure with at least three layers.
  • a coating is arranged on an opposite side of the outer layer of the middle layer. It is possible that a coating is arranged on the first outer layer and no coating is arranged on the second outer layer. Alternatively, a coating can be arranged on both outer layers so that a composite material coated on both sides is provided. Due to the coating, the surface of the composite material can be protected against undesired effects, for example by corrosion.
  • the coating may include zinc.
  • the coating may be hot dip galvanizing or electrolytic galvanizing.
  • the coating may be an aluminum-based coating, such as an aluminum-silicon coating.
  • the composite material on a symmetrical with respect to the central layer layer structure may have a center layer and a first outer layer and a second outer layer, wherein the outer layers are formed from an identical material and have an identical thickness.
  • the composite material can behave like a monolithic material during forming, in particular during flexible rolling.
  • the composite material can be processed in conventional devices that are suitable for monolithic materials.
  • the outer layers have a higher ductility than the middle layer.
  • the outer layers which are more ductile than the middle layer, can reduce the risk of surface defects such as surface cracks.
  • the flow stress of the material of the outer layers is preferably in a range of less than 550 MPa at a degree of deformation in the range of 0 to 0.15, preferably in a range of less than 500 MPa at a degree of deformation in the range of 0 to 0.1.
  • the yield stress of the material of the middle layer is preferably greater than the yield stress of the material of the outer layers.
  • the material of the middle layer at a degree of deformation of 0.05 to 0.15 a yield stress greater than 500 MPa.
  • the above-mentioned yield stresses are determined at a strain rate of, for example, 0.004 1 / s according to SEP 1220.
  • the outer layers have a lower hardenability than the middle layer, so that the outer layers have a lower strength than the central layer even after a heat treatment of the composite material, or of the semi-finished product produced from the composite material.
  • the hardenability is understood to mean the maximum achievable hardness of the material on the surface, which can be determined, for example, in the end quenching test according to DIN EN ISO 642.
  • the outer layers before a hot forming in particular before a flexible rolling above the Austenitmaschinestemperatur the layers of the composite material, have a ferritic or ferritic-pearlitic material structure.
  • Layers with ferritic material structure have, with identical degree of deformation, a lower tendency to show surface cracks during cold forming, for example during cold rolling.
  • the middle layer preferably has a ferritic-pearlitic, bainitic or martensitic material structure, so that an increased strength of the entire composite material can be adjusted.
  • the transition between the material structure of the outer layers and the material structure of the middle layer is flowing.
  • the middle layer and the outer layers of the composite material are formed from a carbon-containing steel, wherein the carbon content in the outer layers is less than in the middle layer.
  • the strength and ductility of each layer can be adjusted individually.
  • the steel used to form the middle layer has a carbon content of greater than or equal to 0.2 percent by weight, preferably greater than 0.22 percent by weight, more preferably greater than 0.33 percent by weight, and the steels to form the outer layers, have a carbon content of less than 0.2 weight percent, preferably less than 0.1 weight percent, more preferably less than 0.02 weight percent.
  • the steel used to form the center ply may have a carbon content in the range of 0.20 to 0.27 weight percent or a carbon content in the range of 0.3 to 0.5 weight percent.
  • the steels used to form the outer layers may have a carbon content in the range of 0.01 to 0.06 or a carbon content in the range of 0.055 to 0.085 weight percent.
  • the middle layer and the outer layers of the composite material of a manganese-containing steel are formed, the manganese content in the outer layers is less than in the middle layer. About the manganese content, the strength and ductility of each layer can be adjusted individually.
  • the steel used to form the middle layer has a manganese content of greater than 0.9 percent by weight, preferably greater than 1.0 percent by weight, particularly preferably greater than 1.2 percent by weight, and the steels which are used for Forming the outer layers, have a manganese content of less than 0.9 weight percent, preferably of less than 0.70 weight percent, more preferably less than 0.35 weight percent.
  • the steel used for the formation of the middle layer may have a manganese content in the range of 1, 10 to 1, 40 weight percent or a manganese content in the range of 1, 10 to 1, 50 weight percent.
  • the steels used to form the outer layers may have a manganese content in the range of 0.02 to 0.35 or a manganese content in the range of 0.70 to 0.90 weight percent.
  • the middle layer and the outer layers of the composite material are formed of a silicon-containing steel, wherein the silicon content in the outer layers is less than or equal to the silicon content in the middle layer.
  • the strength of each layer can be adjusted individually. It is advantageous if the steel used to form the middle layer has a silicon content of greater than 0.1 percent by weight, preferably greater than 0.15 percent by weight, more preferably greater than 0.2 percent by weight, and the steels used for Forming the outer layers are used, have a silicon content of less than 0.25 weight percent, preferably less than 0.1 weight percent, more preferably less than 0.05 weight percent.
  • the steel used to form the center ply may have a silicon content in the range of 0.15 to 0.35 weight percent or a silicon content in the range of 0.10 to 0.35 weight percent.
  • the steels used to form the outer layers may have a silicon content in the range of 0.12 to 0.25 or a silicon content less than 0.10 weight percent.
  • the middle layer and the outer layers of the composite material are formed of a chromium-containing steel, wherein the chromium content in the outer layers is less than or equal to the chromium content in the middle layer.
  • the strength of each layer can be adjusted individually. It is advantageous if the steel used to form the middle layer has a chromium content of greater than or equal to 0.05 percent by weight, preferably greater than 0.1 percent by weight, especially preferably greater than 0.15% by weight and the steels used to form the outer layers have a chromium content of less than or equal to 0.20% by weight, preferably less than or equal to 0.1% by weight, more preferably less than or equal to 0, Have 05 weight percent.
  • the steel used to form the center ply may have a chromium content in the range of 0.05 to 0.25 weight percent or a chromium content in the range of 0.05 to 0.45 weight percent.
  • the steels used to form the outer layers may have a chromium content less than or equal to 0.20 percent by weight or a chromium content less than or equal to 0.10 percent by weight.
  • the middle layer and the outer layers of the material composite of a carbon and / or manganese and / or silicon and / or chromium-containing steel are formed, the sum of the carbon content and the manganese content and the silicon content and the chromium content in the outer layers is lower as the sum of the carbon content and the manganese content and the silicon content and the chromium content in the middle layer.
  • the steel used to form the middle layer has a sum of the carbon content and the manganese content and the silicon content and the chromium content which is in the range of 1, 5 to 2.8 percent by weight and the steels which are used for Forming the outer layers are used, have a sum of the content of carbon and manganese and silicon and chromium, which is in the range of 0.03 to 1, 4 weight percent.
  • a preferred embodiment provides that the thickness of the outer layers in the range of 5% -40% of the total thickness of the composite material, preferably in the range of 10% to 25% of the total thickness of the composite material, more preferably in the range of 10% to 20% of Total thickness of the composite material.
  • a method for producing a structural component with regions of different material thicknesses also contributes, wherein a semifinished product is provided by a method according to a method described above, wherein the semifinished product is thermoformed to obtain a structural component.
  • the same advantages can be achieved as have already been described in connection with the method for producing a semifinished product with regions of different material thicknesses.
  • the outer layers of the structural component obtained from the semifinished product by hot working have an elongation at break A 80 , ie an elongation at break for a sample with a measuring length of 80 mm at a layer thickness S ⁇ 3 mm, greater than or equal to 10%, preferably greater than or equal to 15%. , more preferably greater than or equal to 20%.
  • the less ductile middle layer preferably has an elongation at break A 80 of less than 20%, particularly preferably less than 15%.
  • diffusion processes take place, which lead to a mixing of the individual layers of the composite material.
  • carbon may diffuse from a layer having a higher carbon content to a layer having a lower carbon content.
  • a material can be formed during the hot forming, which has flowing material properties over the thickness.
  • the object is also achieved by the use of a flexibly rolled composite material in a vehicle structure.
  • the flexibly rolled composite material has regions of different thicknesses of material which reduces the weight of the vehicle structure.
  • the flexibly rolled composite material can be used in particular in a B-pillar, a longitudinal member and / or a crash box.
  • FIG. 1 shows a device for flexible rolling in a schematic sectional view.
  • FIG. 2 shows a multilayer, metallic material composite in a schematic sectional representation.
  • FIG. 3 shows a first composite material in a sectional view.
  • FIG. 4 shows a second composite material in a sectional view.
  • FIG. 5 shows the course of the carbon content over the cross section of a composite material.
  • the figure 6 flow curves of different layers of a composite material and a composite material.
  • FIG. 7 shows a multilayer, metallic material composite after cold rolling in a sectional representation.
  • FIG. 8 shows the composite material of FIG. 7 after hot forming in a sectional view.
  • FIG. 9 shows the tensile strength and the yield strength of the composite material after hot forming for various material thicknesses.
  • FIG. 10 shows the bending force, the bending angle and the energy of the composite material after hot deformation for different material thicknesses.
  • the device 1 shows by way of example a device 1 for flexible rolling, in which the method according to the invention can be realized.
  • the device has two rollers 2, 3, between which a roll gap 4 is formed.
  • a first roller 3 is stationary, while a second roller 4 is linearly movable on a straight line G connecting the axes of rotation of the two rollers 3, 4.
  • the roll gap 4 can be adjusted.
  • the roll nip 4 is supplied with a multilayer, metallic composite material 5 which has a plurality of layers with different ductility. If the roll gap 4 is increased, regions 6 having a greater material thickness are produced in the rolled composite material. If, however, the roll gap 4 is reduced, regions 7 with a smaller material thickness are produced in the rolled composite material.
  • the device 1 enables both flexible rolling at room temperature (cold rolling) and flexible rolling at elevated temperature (hot rolling).
  • the composite material to a temperature above the Austenitmaschinestemperatur the layers of the composite material, for example, to a temperature in the range of 700 ° C to 1300 ° C, preferably in the range of 880 ° C to 920 ° C, more preferably heated to 900 ° C. and then rolled.
  • FIG. 2 shows a strand-shaped, in particular band-shaped, composite material 5 in a schematic sectional illustration.
  • the composite material 5 has a central layer 12. On a first side of the middle layer 12, a first outer layer 1 1 is arranged and on a second side opposite the first side, the second layer 12, a second outer layer 13 is arranged. On the outer sides of the outer layers, which lie opposite the middle layer 12, coatings 10, 14 are provided.
  • the composite material 5 thus has a symmetrical with respect to the central layer 12 construction.
  • the materials of the outer layers 1 1, 13 are chosen such that they consist of an identical steel material.
  • the middle layer 12 is formed from one of the outer layers 1 1, 13 different steel material.
  • the steel materials of the middle layer 12 and the outer layers 1 1, 13 are chosen such that the outer layers 1 1, 13 has a higher ductility and a lower solidification than the middle layer 12. In addition, the outer layers 1 1, 13 have a lower curability than the middle layer 12.
  • FIG. 3 shows a section through a first exemplary embodiment of a composite material 5.1.
  • the composite material 5.1 has a central layer 12 of a steel material with the following composition, which is to be referred to below as material A1:
  • Silicon 0.15 to 0.35 wt%
  • Aluminum 0.015 to 0.060 wt%; Chromium: 0.05 to 0.25% by weight;
  • Titanium 0.015 to 0.040 wt%
  • Molybdenum ⁇ 0.10% by weight
  • Nickel ⁇ 0.15% by weight
  • Niobium ⁇ 0.006 wt%
  • Vanadium ⁇ 0.01% by weight
  • Arsenic ⁇ 0.01% by weight
  • Cobalt ⁇ 0.01% by weight.
  • the middle layer 12 can be formed from a steel material having the following composition, which is referred to below as material A2:
  • Carbon 0.30 to 0.50 wt%
  • Silicon 0.10 to 0.35 wt%
  • Aluminum 0.015 to 0.060 wt%
  • Chromium 0.05 to 0.45% by weight
  • Titanium 0.015 to 0.045 wt%
  • Molybdenum ⁇ 0.1% by weight
  • Nickel ⁇ 0.1% by weight
  • Niobium ⁇ 0.006 wt%
  • Vanadium ⁇ 0.01% by weight
  • Arsenic ⁇ 0.01% by weight
  • Cobalt ⁇ 0.01% by weight.
  • the outer layers 11, 13 of the composite material 5.1 shown in FIG. 3 are formed from a steel material having the composition described below. This is called material B1.
  • Carbon 0.055 to 0.085% by weight
  • Silicon 0.12 to 0.29 wt%
  • Aluminum 0.020 to 0.060 wt%
  • Chromium ⁇ 0.20% by weight
  • Titanium ⁇ 0.01% by weight
  • Phosphorus 0.010 to 0.030 wt%
  • Molybdenum ⁇ 0.045% by weight
  • Nickel ⁇ 0.20% by weight
  • Niobium 0.010 to 0.030 wt%
  • the outer layers 1 1, 13 may be formed of a steel material having the following composition, which is referred to below as material B2:
  • Chromium ⁇ 0.10 wt%
  • Titanium 0.003 to 0.25 wt%
  • Molybdenum ⁇ 0.025% by weight
  • Nickel ⁇ 0.15% by weight
  • Niobium ⁇ 0.006 wt%
  • the outer layers 11, 13 of the material B1 have a thickness which in each case has approximately 10% of the total thickness of the composite material 5.1.
  • the thickness of the middle layer 12 of the material A1 is about 80% of the total thickness of the composite material 5.1.
  • a coating 10, 14 is provided, which has a thickness that is less than 1% of the total thickness of the composite material 5.1.
  • the coatings 10, 14 are aluminum-silicon coatings.
  • the middle layer 12 is also formed from the material A1 and the outer layers 1 1, 13 are formed from the material B1.
  • the outer layers 1 1, 13 each have a thickness of about 20% of the total thickness of the composite material 5.2
  • the middle layer 12 has a thickness of about 60% of the total thickness of the composite material 5.2.
  • a coating 10, 14 is provided in each case, which has a thickness which is less than 1% of the total thickness of the composite material 5.2.
  • the coatings 10, 14 are aluminum-silicon coatings.
  • FIG. 5 shows the carbon content of a composite material 5.3, which has a central layer 12 of the material A2 and outer layers 1 1, 13 of the material B1.
  • the outer layers 1 1, 13 each have a thickness of about 10% of the total thickness of the material. alverbunds 5.3.
  • the carbon content of a composite material 5.4 is shown, which has a central layer 12 of the material A2 and outer layers 1 1, 13 of the material B1.
  • the outer layers 1 1, 13 of the composite material 5.4 each have a thickness of about 20% of the total thickness of the composite material 5.4.
  • the carbon content is plotted against the material thickness, wherein the axis of symmetry of the composite material 5.3, 5.4 extending through the middle layer 12 is 0 ⁇ m in the sheet thickness.
  • the carbon content in the middle layer 12 has a maximum and decreases continuously in the transition regions from the middle layer 12 to the outer layers 11, 13.
  • the carbon content in the outer layers 1 1, 13 is lower than in the middle layer.
  • the composite materials 5.3, 5.4 in the outer layers 1 1, 13, a concentration of carbon, which are increased compared to the material used for the formation of the respective outer layer 1 1, 13 B1.
  • FIG. 6 shows flow curves of the "harder" material A1 used for the middle layer 11 and the "softer” materials B1 and B2 used for the outer layers 11, 13. Furthermore, flow curves of the composite material 5.1 according to FIG. 3 and of the composite material 5.2 according to FIG. 4 are indicated. The flow curves were recorded at a strain rate of 0.004 1 / s according to SEP 1220. It can be seen that the yield stress kf of the material A1 of the middle layer 12 is greater than the yield stress kf of the material B1, B2 of the outer layers 11, 13, in particular in a range of the degree of deformation phi of 0 to 0.1.
  • the yield stress kf of the material B1, B2 of the outer layers 11, 13 is in a range smaller than 550 MPa at a degree of deformation phi in the range of 0 to 0.15.
  • the yield stress kf of the material A1 of the middle layer 11 has, at a degree of deformation phi of 0.05 to 0.15, a yield stress kf greater than 500 MPa.
  • FIG. 7 shows the layer structure of a composite material 5 processed by means of flexible rolling at room temperature by means of a device 1 according to FIG.
  • the degree of rolling was 50% in the section shown. It can be clearly seen that the layer structure of the composite material 5 has been preserved. In particular, the individual layers of the composite material 5 were not separated from each other. Furthermore, the relative ratio of the thicknesses of the individual layers 10, 1 1, 12, 13, 14 of the composite material 5 during flexible rolling is maintained. It is therefore possible to produce thicker regions and thinner regions of the material composite 5 which have an identical relative layer thickness distribution.
  • FIG. 8 shows a corresponding region of the material composite 5 from FIG. 7 after a subsequent heating step for hot forming, in particular during press hardening. Due to the heating above the austenitizing temperature, diffusion processes, for example of the carbon, are accelerated so that the individual layers are mixed. The constituents of the coating 10 also mix with the outer layers 1 1, 13 adjacent to the coating. Due to the mixing, the material properties in the cross-sectional direction of the composite material 5 are homogenized.
  • FIG. 9 shows the tensile strength and the yield strength for regions with different material thicknesses.
  • the bending force, the bending angle and the energy are also plotted for different material thicknesses.
  • the measurement of the strength and the bending angle for regions of the structural component produced with different material thickness resulted in almost constant values for material thicknesses in the range of 0.8 mm to 1.8 mm. It could therefore be stated that both regions of the material composite 5 with a smaller material thickness and regions with a greater material thickness have a virtually identical solidification behavior, which is attributed to the identical relative layer thickness distribution in these regions. In this respect, a dependence of the material properties, in particular the strength and the bending angle, in the composite material 5 in contrast to monolithic materials can not be determined.
  • the maximum producible residual ductility of the material composite 5 is not limited by the minimum material thickness, so that greater differences in thickness can be set during flexible rolling. Therefore, the weight of the manufactured structural components can be further reduced LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken, wobei ein mehrlagiger, metallischer Materialverbund bereitgestellt wird, welcher mehrere Lagen mit unterschiedlicher Duktilitat aufweist, wobei der Materialverbund in einem Verfahren zum flexiblen Walzen durch einen zwischen zwei Walzen gebildeten Walzspalt gewalzt wird, welcher derart verändert wird, dass Bereiche mit unterschiedlicher Materialdicke gebildet werden.

Description

BESCHREIBUNG
Titel
Herstellung von Halbzeugen und Strukturbauteilen mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken.
Derartige Strukturbauteile werden im Fahrzeugbau eingesetzt und können beispielsweise als Stoßfängerquerträger, Seitenaufprallträger oder Säulen ausgebildet sein. Die Strukturbauteile weisen Bereiche mit unterschiedlichen Materialdicken auf, wobei Bereiche mit einer größeren Materialdicke eine erhöhte Biegesteifigkeit und Bereiche mit einer geringeren Materialdicke eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen. Durch das gezielte Vorsehen von Bereichen mit geringerer Materialdicke an solchen Stellen, an denen eine hohe Biegesteifigkeit nicht erforderlich ist, kann das Gewicht der Strukturbauteile reduziert werden.
Aus der DE 102 46 164 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils mit Bereichen unterschiedlicher Materialdicken bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Metallband mittels eines Verfahrens zum flexiblen Walzen umgeformt. Hierbei wird das Metallband in einem Walzspalt zwischen zwei Walzen gewalzt. Der Walzspalt wird während des Walzens verändert, so dass ein Halbzeug mit Bereichen unterschiedlicher Materialdicke erhalten wird. Aus dem Halbzeug werden Formplatinen geschnitten, welche in einem nachfolgenden Warmumformprozess zu einem Strukturbauteil umgeformt werden.
Beim Walzen verfestigt sich das Material des Metallbands, wodurch sich die Umformbarkeit des Metallbands verschlechtert. Insofern sind die durch das flexible Walzen erzeugbaren, maximalen Unterschiede der Materialdicke durch die Verfestigung des Materials begrenzt. Hierdurch werden auch der Verringerung des Bauteilgewichts Grenzen gesetzt.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Herstellung von Strukturbauteilen mit hoher Festigkeit und reduziertem Gewicht zu ermöglichen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken, wobei ein mehrlagiger, metallischer Materialverbund bereitgestellt wird, welcher mehrere Lagen mit unterschiedlicher Duktilität und insbesondere unterschiedlichem Verfestigungsverhalten aufweist, und wobei der Materialverbund in einem Verfahren zum flexiblen Walzen durch einen zwischen zwei Walzen gebildeten Walzspalt gewalzt wird, welcher derart verändert wird, dass Bereiche mit unterschiedlicher Dicke gebildet werden.
Der mehrlagige, metallische Materialverbund weist einen Schichtaufbau mit mehreren metallischen Lagen auf, die eine verschiedene Duktilität aufweisen, so dass sich das Verfestigungsverhalten der Lagen unterscheidet. Hierdurch kann ein Materialverbund bereitgestellt werden, welcher ein gegenüber einem monolithischen Warmumformstahl insgesamt weniger stark ausgeprägtes Verfestigungsverhalten aufweist. Beim flexiblen Walzen des Materialverbunds werden Bereiche mit unterschiedlicher Materialdicke erzeugt, indem der Walzspalt verändert wird, während der Materialverbund durch die Walzen geführt wird. Das relative Verhältnis der Dicken der einzelnen Lagen des Materialverbunds bleibt beim flexiblen Walzen erhalten. Es können daher dickere Bereiche sowie dünnere Bereiche des Materialverbunds erzeugt werden, welche eine identische relative Schichtdickenverteilung aufweisen. Es konnte festgestellt werden, dass beim Walzen des mehrere Lagen mit unterschiedlicher Duktilität aufweisenden Materialverbunds ein größerer Abwalzgrad erreicht werden kann. Dies wird zurückgeführt auf die geringere Verfestigung der duktileren Lage bzw. Lagen des Materialverbunds. Nach einer Warmumformung des flexibel gewalzten Materialverbunds können sowohl in den dünneren Bereichen als auch in den dickeren Bereichen Werte der Zugfestigkeit, der Streckgrenze und des Biegewinkels ermittelt werden, welche auf einem vergleichbaren Niveau liegen. Beim flexiblen Walzen können daher größere Dickenunterschiede eingestellt werden, so dass das Gewicht der Strukturbauteile weiter reduziert werden kann.
Die Duktilität und damit das Verfestigungsverhalten der einzelnen Lagen des Materialverbunds kann beispielsweise anhand von Fließkurven der Materialien der einzelnen Lagen ermittelt werden. In einer Fließkurve wird die Fließspannung kf über dem Umformgrad phi aufgetragen. Solche Fließkurven können im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 oder nach SEP 1220 mit einer Dehnrate von beispielsweise 0,004 1/s ermittelt werden. Im Allgemeinen weisen solche Materialien, die bei einem vorgegebenen Umformgrad eine geringere Fließspannung aufweisen, eine höhere Duktilitat und damit eine geringere Verfestigung durch Verformung auf. In Bezug auf den erfindungsgemäßen Materialverbund bedeutet dies, dass die Lagen des Materialverbunds bevorzugt in einem vorgegebenen Bereich des Umformgrads phi, beispielsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,15, vorteilhafterweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,1 , unterschiedliche Fließspannungen kf (nach SEP 1220 mit einer Dehnrate von beispielsweise 0,004 1/s) aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann zur Bestimmung der Duktilität die Bruchdehnung herangezogen werden. Die Bruchdehnung gibt die Verlängerung einer Probe nach einem Bruch im Zugversuch bezogen auf ihre anfängliche Länge an.
Bei den Lagen des Materialverbunds handelt es sich bevorzugt um Lagen aus einem Stahlwerkstoff. Besonders bevorzugt sind die Lagen aus unterschiedlichen Stahlwerkstoffen bzw. unterschiedlichen Stahllegierungen gebildet.
Der Materialverbund wird bevorzugt als strangförmiger, insbesondere bandförmiger, Materialverbund bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist der Materialverbund haspelbar. Beim flexiblen Walzen können in dem strangförmigen, insbesondere bandförmigen, Materialverbund Bereiche mit unterschiedlicher Materialdicke gebildet werden, welche in einer Längsrichtung des Materialverbunds benachbart sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren zum flexiblen Walzen bei Raumtemperatur durchgeführt, so dass der Materialverbund bei Raumtemperatur gewalzt wird. Es ist daher nicht erforderlich, den Materialverbund aufzuheizen, so dass keine Energie zur Erwärmung des Materialverbunds aufgewendet werden muss. Der Verfahrensschritt des flexiblen Walzens kann einen Kaltwalzschritt in einem herkömmlichen Fertigungsverfahren ersetzen.
Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren zum flexiblen Walzen oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Lagen des Materialverbunds durchgeführt. Der Materialverbund wird insofern bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Lagen des Materialverbunds, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 700 °C bis 1300 °C, bevorzugt im Bereich von 880 °C bis 920 °C, besonders bevorzugt bei 900 °C, gewalzt. Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der der Materialverbund eine Mittellage aufweist, wobei auf einer ersten Seite der Mittellage eine erste Außenlage angeordnet ist und auf einer der erste Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite der Mittellage eine zweite Außenlage angeordnet ist. Der Materialverbund kann einen Schichtaufbau mit mindestens drei Lagen aufweisen.
Bevorzugt ist es, wenn auf einer der Mittellage gegenüberliegenden Seite der Außenlage eine Beschichtung angeordnet ist. Es ist möglich, dass auf der ersten Außenlage eine Be- schichtung angeordnet ist und auf der zweiten Außenlage keine Beschichtung angeordnet ist. Alternativ kann auf beiden Außenlagen eine Beschichtung angeordnet sein, sodass ein zweiseitig beschichteter Materialverbund bereitgestellt wird. Durch die Beschichtung kann die Oberfläche des Materialverbunds vor unerwünschten Beeinträchtigungen, beispielsweise durch Korrosion, geschützt werden. Die Beschichtung kann Zink aufweisen. Beispielsweise kann die Beschichtung eine Feuerverzinkung oder eine elektrolytische Verzinkung sein. Alternativ kann es sich bei der Beschichtung um eine aluminiumbasierte Beschichtung, beispielsweise eine Aluminium-Silizium-Beschichtung handeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Materialverbund einen bezüglich der Mittellage symmetrischen Schichtaufbau auf. Beispielsweise kann der Materialverbund eine Mittellage sowie eine erste Außenlage und eine zweite Außenlage aufweisen, wobei die Außenlagen aus einem identischen Material ausgebildet sind und eine identische Dicke aufweisen. Dadurch weist der Materialverbund hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften keine Vorzugsrichtung auf. Der Materialverbund kann sich beim Umformen, insbesondere beim flexiblen Walzen, wie ein monolithisches Material verhalten. Damit kann der Materialverbund in herkömmlichen Vorrichtungen verarbeitet werden, die für monolithische Materialien geeignet sind.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Außenlagen eine höhere Duktilität aufweisen als die Mittellage. Durch die im Vergleich zu der Mittellage duktileren Außenschichten kann die Gefahr, dass Oberflächendefekte, wie beispielsweise Oberflächenrisse, entstehen, verringert werden. Die Fließspannung des Materials der Außenlagen liegt bevorzugt in einem Bereich kleiner als 550 MPa bei einem Umformgrad im Bereich von 0 bis 0,15, bevorzugt in einem Bereich kleiner als 500 MPa bei einem Umformgrad im Bereich von 0 bis 0,1 . Die Fließspannung des Materials der Mittellage ist bevorzugt größer als die Fließspannung des Materials der Außenlagen. Beispielsweise kann das Material der Mittellage bei einem Umformgrad von 0,05 bis 0,15 eine Fließspannung größer als 500 MPa aufweisen. Die zuvor genannten Fließspannungen werden mit einer Dehnrate von beispielsweise 0,004 1/s nach SEP 1220 ermittelt.
Bevorzugt ist es, wenn die Außenlagen eine geringere Aufhärtbarkeit aufweisen als die Mittellage, so dass die Außenlagen auch nach einer Wärmebehandlung des Materialverbunds, bzw. des aus dem Materialverbund erzeugten Halbzeugs eine geringere Festigkeit aufweisen als die Mittellage. Unter der Aufhärtbarkeit wird die maximal erreichbare Härte des Materials an der Oberfläche verstanden, welche beispielsweise im Stirnabschreckversuch nach DIN EN ISO 642 ermittelt werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn die Außenlagen vor einer Warmumformung, insbesondere vor einem flexiblen Walzen oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Lagen des Materialverbunds, ein ferritisches oder ferritisch-perlitisches Materialgefüge aufweisen. Lagen mit ferritischem Materialgefüge weisen bei identischem Umformgrad eine geringere Neigung auf, bei der Kaltumformung, beispielsweise beim Kaltwalzen, Oberflächenrisse zu zeigen. Die Mittellage weist bevorzugt ein ferritisch-perlitisches, bainitisches oder martensitisches Materialgefüge auf, so dass eine erhöhte Festigkeit des gesamten Materialverbunds eingestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist der Übergang zwischen dem Materialgefüge der Außenlagen und dem Materialgefüge der Mittellage fließend.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittellage und die Außenlagen des Materialverbunds aus einem Kohlenstoff enthaltenden Stahl ausgebildet, wobei der Kohlenstoffgehalt in den Außenlagen geringer ist als in der Mittellage. Über den Kohlenstoffgehalt kann die Festigkeit und Duktilität der jeweiligen Lage individuell eingestellt werden. Vorteilhaft ist es, wenn der Stahl, der zur Bildung der Mittellage verwendet wird, einen Kohlenstoffgehalt von größer oder gleich 0,2 Gewichtsprozent, bevorzugt größer als 0,22 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von größer als 0,33 Gewichtsprozent aufweist und die Stähle, die zur Bildung der Außenlagen verwendet werden, einen Kohlenstoffgehalt von kleiner als 0,2 Gewichtsprozent, bevorzugt von kleiner als 0,1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von kleiner als 0,02 Gewichtsprozent aufweisen. Beispielsweise kann der für die Bildung der Mittellage verwendete Stahl einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,20 bis 0,27 Gewichtsprozent oder einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,3 bis 0,5 Gewichtsprozent aufweisen. Die zur Bildung der Außenlagen verwendeten Stähle können beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,01 bis 0,06 oder einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,055 bis 0,085 Gewichtsprozent aufweisen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittellage und die Außenlagen des Materialverbunds aus einem Mangan enthaltenden Stahl ausgebildet, wobei der Mangangehalt in den Außenlagen geringer ist als in der Mittellage. Über den Mangangehalt kann die Festigkeit und Duktilität der jeweiligen Lage individuell eingestellt werden. Vorteilhaft ist es, wenn der Stahl, der zur Bildung der Mittellage verwendet wird, einen Mangangehalt von größer als 0,9 Gewichtsprozent, bevorzugt größer als 1 ,0 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von größer als 1 ,2 Gewichtsprozent aufweist und die Stähle, die zur Bildung der Außenlagen verwendet werden, einen Mangangehalt von kleiner als 0,9 Gewichtsprozent, bevorzugt von kleiner als 0,70 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von kleiner als 0,35 Gewichtsprozent aufweisen. Beispielsweise kann der für die Bildung der Mittellage verwendete Stahl einen Mangangehalt im Bereich von 1 ,10 bis 1 ,40 Gewichtsprozent oder einen Mangangehalt im Bereich von 1 ,10 bis 1 ,50 Gewichtsprozent aufweisen. Die zur Bildung der Außenlagen verwendeten Stähle können einen Mangangehalt im Bereich von 0,02 bis 0,35 oder einen Mangangehalt im Bereich von 0,70 bis 0,90 Gewichtsprozent aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittellage und die Außenlagen des Materialverbunds aus einem Silizium enthaltenden Stahl ausgebildet, wobei der Siliziumgehalt in den Außenlagen geringer oder gleich dem Siliziumgehalt in der Mittellage ist. Über den Siliziumgehalt kann die Festigkeit der jeweiligen Lage individuell eingestellt werden. Vorteilhaft ist es, wenn der Stahl, der zur Bildung der Mittellage verwendet wird, einen Siliziumgehalt von größer als 0,1 Gewichtsprozent, bevorzugt größer als 0,15 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von größer als 0,2 Gewichtsprozent aufweist und die Stähle, die zur Bildung der Außenlagen verwendet werden, einen Siliziumgehalt von kleiner als 0,25 Gewichtsprozent, bevorzugt von kleiner als 0,1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von kleiner als 0,05 Gewichtsprozent aufweisen. Beispielsweise kann der für die Bildung der Mittellage verwendete Stahl einen Siliziumgehalt im Bereich von 0,15 bis 0,35 Gewichtsprozent oder einen Siliziumgehalt im Bereich von 0,10 bis 0,35 Gewichtsprozent aufweisen. Die zur Bildung der Außenlagen verwendeten Stähle können einen Siliziumgehalt im Bereich von 0,12 bis 0,25 oder einen Siliziumgehalt kleiner als 0,10 Gewichtsprozent aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittellage und die Außenlagen des Materialverbunds aus einem Chrom enthaltenden Stahl ausgebildet, wobei der Chromgehalt in den Außenlagen geringer oder gleich dem Chromgehalt in der Mittellage ist. Über den Chromgehalt kann die Festigkeit der jeweiligen Lage individuell eingestellt werden. Vorteilhaft ist es, wenn der Stahl, der zur Bildung der Mittellage verwendet wird, einen Chromgehalt von größer oder gleich 0,05 Gewichtsprozent, bevorzugt größer als 0,1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von größer als 0,15 Gewichtsprozent aufweist und die Stähle, die zur Bildung der Außenlagen verwendet werden, einen Chromgehalt von kleiner oder gleich 0,20 Gewichtsprozent, bevorzugt von kleiner oder gleich 0,1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 0,05 Gewichtsprozent aufweisen. Beispielsweise kann der für die Bildung der Mittellage verwendete Stahl einen Chromgehalt im Bereich von 0,05 bis 0,25 Gewichtsprozent oder einen Chromgehalt im Bereich von 0,05 bis 0,45 Gewichtsprozent aufweisen. Die zur Bildung der Außenlagen verwendeten Stähle können einen Chromgehalt kleiner oder gleich 0,20 Gewichtsprozent oder einen Chromgehalt kleiner oder gleich 0,10 Gewichtsprozent aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittellage und die Außenlagen des Materialverbunds aus einem Kohlenstoff und/oder Mangan und/oder Silizium und/oder Chrom enthaltenden Stahl ausgebildet, wobei die Summe des Kohlenstoffgehalts und des Mangangehalts und des Siliziumgehalts und des Chromgehalts in den Außenlagen geringer ist als die Summe des Kohlenstoffgehalts und des Mangangehalts und des Siliziumgehalts und des Chromgehalts in der Mittellage. Vorteilhaft ist es, wenn der Stahl, der zur Bildung der Mittellage verwendet wird, eine Summe des Kohlenstoffgehalts und des Mangangehalts und des Siliziumgehalts und des Chromgehalts aufweist, die im Bereich von 1 ,5 bis 2,8 Gewichtsprozent liegt und die Stähle, die zur Bildung der Außenlagen verwendet werden, eine Summe des Gehalts an Kohlenstoff und Mangan und Silizium und Chrom aufweisen, die im Bereich von 0,03 bis 1 ,4 Gewichtsprozent liegt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Dicke der Außenlagen im Bereich von 5%-40% der Gesamtdicke des Materialverbunds liegt, bevorzugt im Bereich von 10% bis 25% der Gesamtdicke des Materialverbunds, besonders bevorzugt im Bereich von 10 % bis 20 % der Gesamtdicke des Materialverbunds.
Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn der Materialverbund durch Walzplattieren bereitgestellt wird.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe trägt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken bei, wobei ein Halbzeug durch ein Verfahren nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren bereitgestellt wird, wobei das Halbzeug warm umgeformt wird, um ein Strukturbauteil zu erhalten. Mit diesem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren zu Herstellung eines Halbzeugs mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken beschrieben worden sind.
Bevorzugt weisen die Außenlagen des aus dem Halbzeug durch Warmumformung erhaltenen Strukturbauteils eine Bruchdehnung A80, also eine Bruchdehnung bei einer Probe mit einer Messlänge von 80 mm bei einer Lagendicke S < 3 mm, von größer oder gleich 10 %, bevorzugt größer oder gleich 15 %, besonders bevorzugt größer oder gleich 20 % auf. Die weniger duktile Mittellage weist bevorzugt eine Bruchdehnung A80 von kleiner als 20 %, besonders bevorzugt von kleiner als 15 %, auf.
Bei der Warmumformung des aus dem Materialverbund hergestellten Halbzeugs finden Diffusionsprozesse statt, welche zu einer Vermischung der einzelnen Lagen des Materialverbunds führen. Beispielsweise kann Kohlenstoff aus einer Lage, die einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweist, in eine Lage diffundieren, die einen geringeren Kohlenstoffgehalt aufweist. Durch diese Diffusionsprozesse kann während der Warmumformung ein Material gebildet werden, welches fließende Werkstoffeigenschaften über der Dicke aufweist.
Schließlich wird die Aufgabe auch gelöst durch die Verwendung eines flexibel gewalzten Materialverbunds in einer Fahrzeugstruktur. Der flexibel gewalzte Materialverbund weist bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken auf wodurch sich das Gewicht der Fahrzeugstruktur verringert. Der flexibel gewalzte Materialverbund kann insbesondere in einer B- Säule, einem Längsträger und/oder einer Crashbox verwendet werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum flexiblen Walzen in einer schematischen Schnittdarstellung. Die Figur 2 zeigt einen mehrlagigen, metallischen Materialverbund in einer schematischen Schnittdarstellung.
Die Figur 3 zeigt einen ersten Materialverbund in einer Schnittdarstellung.
Die Figur 4 zeigt einen zweiten Materialverbund in einer Schnittdarstellung.
Die Figur 5 zeigt den Verlauf des Kohlenstoffgehalts über den Querschnitt eines Materialverbunds.
Die Figur 6 Fließkurven verschiedener Lagen eines Materialverbunds und eines Materialverbunds.
Die Figur 7 zeigt einen mehrlagigen, metallischen Materialverbund nach dem Kaltwalzen in einer Schnittdarstellung.
Die Figur 8 zeigt den Materialverbund aus Figur 7 nach einer Warmumformung in einer Schnittdarstellung.
Die Figur 9 zeigt die Zugfestigkeit und die Streckgrenze des Materialverbunds nach einer Warmumformung für verschiedenen Materialdicken.
Die Figur 10 zeigt die Biegekraft, der Biegewinkel und die Energie des Materialverbunds nach einer Warmumformung für verschiedenen Materialdicken.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist beispielhaft eine Vorrichtung 1 zum flexiblen Walzen dargestellt, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht werden kann. Die Vorrichtung weist zwei Walzen 2, 3 auf, zwischen denen ein Walzspalt 4 gebildet ist. Eine erste Walze 3 ist feststehend ausgebildet, während eine zweite Walze 4 auf einer die Drehachsen der beiden Walzen 3, 4, verbindenden Gerade G linear bewegbar ist. Über die Bewegung der zweiten Walze 4 kann der Walzspalt 4 eingestellt werden. Somit kann mittels der Vorrichtung 1 der Walzgrad, insbesondere kontinuierlich, eingestellt werden. Dem Walzspalt 4 wird ein mehrlagiger, metallischer Materialverbund 5 zugeführt, welcher mehrere Lagen mit unterschiedlicher Duktilität aufweist. Wird der Walzspalt 4 vergrößert, so werden in dem gewalzten Materialverbund Bereiche 6 mit größerer Materialdicke erzeugt. Wird der Walzspalt 4 hingegen verkleinert, werden in dem gewalzten Materialverbund Bereiche 7 mit geringerer Materialdicke erzeugt.
Die Vorrichtung 1 ermöglicht sowohl das flexible Walzen bei Raumtemperatur (Kaltwalzen) als auch das flexible Walzen bei erhöhter Temperatur (Warmwalzen). Hierzu kann der Materialverbund auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Lagen des Materialverbunds, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von 700 °C bis 1300 °C, bevorzugt im Bereich von 880°C bis 920°C, besonders bevorzugt auf 900°C, erwärmt und dann gewalzt werden.
In der Figur 2 ist ein strangförmiger, insbesondere bandförmiger, Materialverbund 5 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Der Materialverbund 5 weist eine Mittellage 12 auf. Auf einer ersten Seite der Mittellage 12 ist eine erste Außenlage 1 1 angeordnet und auf einer der erste Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite der Mittellage 12 ist eine zweite Außenlage 13 angeordnet. An den Außenseiten der Außenlagen, welche der Mittellage 12 gegenüberliegen, sind Beschichtungen 10, 14 vorgesehen. Der Materialverbund 5 weist also einen hinsichtlich der Mittellage 12 symmetrischen Aufbau auf. Die Materialien der Außenlagen 1 1 , 13 sind derart gewählt, dass sie aus einem identischen Stahl Werkstoff bestehen. Die Mittellage 12 ist aus einem von den Außenlagen 1 1 , 13 verschiedenen Stahlwerkstoff ausgebildet. Die Stahl Werkstoffe der Mittellage 12 und der Außenlagen 1 1 , 13 sind derart gewählt, dass die Außenlagen 1 1 , 13 eine höhere Duktilität und eine geringere Verfestigung aufweist als die Mittellage 12. Zudem weisen die Außenlagen 1 1 , 13 eine geringere Aufhärtbarkeit auf als die Mittellage 12.
Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Materialverbunds 5.1 . Der Materialverbund 5.1 weist eine Mittellage 12 aus einem Stahlwerkstoff mit folgender Zusammensetzung auf, welcher nachfolgend als Material A1 bezeichnet werden soll:
Kohlenstoff: 0,20 bis 0,27 Gew.-%;
Silizium: 0,15 bis 0,35 Gew.-%;
Mangan: 1 ,10 bis 1 ,40 Gew.-%;
Aluminium: 0,015 bis 0,060 Gew.-%; Chrom: 0,05 bis 0,25 Gew.-%;
Titan: 0,015 bis 0,040 Gew.-%;
Bor: 0,0015 bis 0,0040 Gew.-%;
Phosphor: < 0,025 Gew.-%;
Schwefel: < 0,004 Gew.-%;
Kupfer: < 0,15 Gew.-%;
Molybdän: < 0,10 Gew-%;
Stickstoff: < 0,01 Gew.-%
Nickel: < 0,15 Gew.-%;
Niob: < 0,006 Gew.-%;
Vanadium: < 0,01 Gew.-%;
Zinn: < 0,03 Gew.-%;
Kalzium: < 0,0050 Gew.-%;
Arsen: < 0,01 Gew.-%;
Kobalt: < 0,01 Gew.-%.
Messdaten einer chemischen Analyse des Materials A1 in Gew.-% sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Alternativ kann die Mittellage 12 aus einem Stahlwerkstoff mit folgender Zusammensetzung ausgebildet werden, welches nachfolgend als Material A2 bezeichnet wird:
Kohlenstoff: 0,30 bis 0,50 Gew.-%;
Silizium: 0,10 bis 0,35 Gew.-%;
Mangan: 1 ,10 bis 1 ,50 Gew.-%;
Aluminium: 0,015 bis 0,060 Gew.-%;
Chrom: 0,05 bis 0,45 Gew.-%;
Titan: 0,015 bis 0,045 Gew.-%;
Bor: 0,0015 bis 0,0045 Gew.-%;
Phosphor: < 0,025 Gew.-%;
Schwefel: < 0,004 Gew.-%;
Kupfer: < 0,15 Gew.-%;
Molybdän: < 0,1 Gew-%;
Stickstoff: < 0,01 Gew.-%
Nickel: < 0,1 Gew.-%;
Niob: < 0,006 Gew.-%; Vanadium: < 0,01 Gew.-%;
Zinn: < 0,03 Gew.-%;
Kalzium: 0,0010 bis 0,0050 Gew.-%;
Arsen: < 0,01 Gew.-%;
Kobalt: < 0,01 Gew.-%.
Messdaten einer chemischen Analyse des Materials A2 in Gew.-% sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Die Außenlagen 1 1 , 13 des in der Figur 3 gezeigten Materialverbunds 5.1 sind aus einem Stahlwerkstoff mit der nachfolgend beschriebenen Zusammensetzung ausgebildet. Dieser wird als Material B1 bezeichnet.
Kohlenstoff: 0,055 bis 0,085 Gew.-%;
Silizium: 0,12 bis 0,29 Gew.-%;
Mangan: 0,70 bis 0,90 Gew.-%;
Aluminium: 0,020 bis 0,060 Gew.-%;
Chrom: < 0,20 Gew.-%;
Titan: < 0,01 Gew.-%;
Phosphor: 0,010 bis 0,030 Gew.-%;
Schwefel: < 0,012 Gew.-%;
Kupfer: < 0,20 Gew.-%;
Molybdän: < 0,045 Gew-%;
Stickstoff: < 0,01 Gew.-%
Nickel: < 0,20 Gew.-%;
Niob: 0,010 bis 0,030 Gew.-%;
Messdaten einer chemischen Analyse des Materials B1 in Gew.-% sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Alternativ können die Außenlagen 1 1 , 13 aus einem Stahlwerkstoff mit folgender Zusammensetzung ausgebildet werden, welches nachfolgend als Material B2 bezeichnet wird:
Kohlenstoff: 0,01 bis 0,06 Gew.-%;
Silizium: < 0,10 Gew.-%;
Mangan: 0,02 bis 0,35 Gew.-%; Aluminium 0,015 bis 0,065 Gew.-%;
Chrom: < 0,10 Gew.-%;
Titan: 0,003 bis 0,25 Gew.-%;
Bor: < 0,0004 Gew.-%;
Phosphor: < 0,020 Gew.-%;
Schwefel: < 0,020 Gew.-%;
Kupfer: < 0,10 Gew.-%;
Molybdän: < 0,025 Gew-%;
Stickstoff: < 0,01 Gew.-%
Nickel: < 0,15 Gew.-%;
Niob: < 0,006 Gew.-%;
Zinn: < 0,015 Gew.-%;
Messdaten einer chemischen Analyse des Materials B2 in Gew.-% sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Materialverbund 5.1 weisen die Außenlagen 1 1 , 13 aus dem Material B1 eine Dicke auf, die jeweils ca. 10 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.1 aufweist. Die Dicke der Mittellage 12 aus dem Material A1 beträgt ca. 80 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.1. An der Oberfläche der Außenlagen 1 1 , 13 ist jeweils eine Be- schichtung 10, 14 vorgesehen, welche eine Dicke aufweist, die geringer als 1 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.1 ist. Die Beschichtungen 10, 14 sind Aluminium-Silizium-Be- schichtungen.
Die Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Materialverbunds 5.2. Bei diesem Materialverbund 5.2 ist die Mittellage 12 ebenfalls aus dem Material A1 gebildet und die Außenlagen 1 1 , 13 sind aus dem Material B1 gebildet. Die Außenlagen 1 1 , 13 weisen jeweils eine Dicke von ca. 20 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.2 auf, die Mittellage 12 weist eine Dicke von ca. 60 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.2 auf. An der Oberfläche der Außenlagen 1 1 , 13 ist jeweils eine Beschichtung 10, 14 vorgesehen, welche eine Dicke aufweist, die geringer als 1 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.2 ist. Die Beschichtungen 10, 14 sind Aluminium-Silizium-Beschichtungen.
In der Figur 5 ist der Kohlenstoffgehalt eines Materialverbunds 5.3 dargestellt, welcher eine Mittellage 12 aus dem Material A2 aufweist und Außenlagen 1 1 , 13 aus dem Material B1 . Die Außenlagen 1 1 , 13 weisen jeweils eine Dicke von ca. 10 % der Gesamtdicke des Materi- alverbunds 5.3 auf. Ferner ist der Kohlenstoffgehalt eines Materialverbunds 5.4 gezeigt, welcher eine Mittellage 12 aus dem Material A2 aufweist und Außenlagen 1 1 , 13 aus dem Material B1. Die Außenlagen 1 1 , 13 des Materialverbunds 5.4 weisen jeweils eine Dicke von ca. 20 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.4 auf. Der Kohlenstoffgehalt ist über der Materialdicke aufgetragen, wobei die durch die Mittellage 12 verlaufende Symmetrieachse des Materialverbunds 5.3, 5.4 bei der Blechdicke 0 μηη liegt. Es ist zu erkennen, dass der Kohlenstoffgehalt in der Mittellage 12 ein Maximum aufweist und in den Übergangsbereichen von der Mittellage 12 zu den Außenlagen 1 1 , 13 kontinuierlich abnimmt. In den Außenlagen 1 1 , 13 erreicht der Kohlenstoffgehalt ein Minimum. Insofern ist der Kohlenstoffgehalt in den Außenlagen 1 1 , 13 geringer als in der Mittellage. In dem jeweiligen Materialverbund 5.3, 5.4 führen Diffusionsprozesse bei dessen Erzeugung und Verarbeitung dazu, dass die einzelnen Elemente des jeweiligen Stahl Werkstoffs von solchen Bereichen, die eine höhere Konzentration des jeweiligen Elements aufweisen in solche Bereiche diffundieren, die eine geringere Konzentration aufweisen. Aus diesem Grund weisen die Materialverbünde 5.3, 5.4 in den Außenlagen 1 1 , 13 eine Konzentration an Kohlenstoff auf, welche gegenüber dem zur Bildung der jeweiligen Außenlage 1 1 , 13 verwendeten Material B1 erhöht sind.
Die Figur 6 zeigt Fließkurven des für die Mittellage 1 1 verwendeten„härteren" Materials A1 sowie der für die Außenlagen 1 1 , 13 verwendeten„weicheren" Materialien B1 und B2. Ferner sind Fließkurven des Materialverbunds 5.1 nach Figur 3 und des Materialverbunds 5.2 nach Figur 4 angegeben. Die Fließkurven wurden mit einer Dehnrate von 0,004 1/s nach SEP 1220 aufgenommen. Es ist zu erkennen, dass die Fließspannung kf des Materials A1 der Mittellage 12 größer ist als die Fließspannung kf des Materials B1 , B2 der Außenlagen 1 1 , 13, insbesondere in einem Bereich des Umformgrads phi von 0 bis 0,1. Die Fließspannung kf des Materials B1 , B2 der Außenlagen 1 1 , 13 liegt in einem Bereich kleiner als 550 MPa bei einem Umformgrad phi im Bereich von 0 bis 0,15. Die Fließspannung kf des Materials A1 der Mittellage 1 1 weist bei einem Umformgrad phi von 0,05 bis 0,15 eine Fließspannung kf größer als 500 MPa auf.
In der Figur 7 ist der Schichtaufbau eines durch flexibles Walzen bei Raumtemperatur mittels einer Vorrichtung 1 nach Figur 1 bearbeiteten Materialverbunds 5 gezeigt. Der Walzgrad betrug in dem gezeigten Ausschnitt 50 %. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Schichtaufbau des Materialverbunds 5 erhalten geblieben ist. Insbesondere wurden die einzelnen Lagen des Materialverbunds 5 nicht voneinander getrennt. Ferner bleibt das relative Verhältnis der Dicken der einzelnen Lagen 10, 1 1 , 12, 13, 14 des Materialverbunds 5 beim flexiblen Walzen erhalten. Es können daher dickere Bereiche sowie dünnere Bereiche des Materialverbunds 5 erzeugt werden, welche eine identische relative Schichtdickenverteilung aufweisen.
Die Figur 8 zeigt einen entsprechenden Bereich des Materialverbunds 5 aus Figur 7 nach einem nachfolgenden Erwärmungsschritt zum Warmumformen, insbesondere beim Presshärten. Durch die Erwärmung über die Austenitisierungstemperatur werden Diffusionsprozesse beispielsweise des Kohlenstoffs beschleunigt, so dass es zu einer Vermischung der einzelnen Lagen kommt. Auch die Bestandteile der Beschichtung 10 vermischen sich mit den an die Beschichtung angrenzenden Außenlagen 1 1 , 13. Aufgrund der Vermischung kommt es zu einer Homogenisierung der Werkstoffeigenschaften in Querschnittsrichtung des Materialverbunds 5.
Die Figur 9 zeigt die Zugfestigkeit und die Streckgrenze für Bereiche mit verschiedenen Materialdicken. In der Figur 10 sind die Biegekraft, der Biegewinkel und die Energie ebenfalls für verschiedene Materialdicken aufgetragen. Die Messung der Festigkeit sowie des Biegewinkels für Bereiche des hergestellten Strukturbauteils mit unterschiedlicher Materialdicke ergab nahezu konstante Werte für Materialdicken im Bereich von 0,8 mm bis 1 ,8 mm. Es konnte also festgestellt werden, dass sowohl Bereiche des Materialverbunds 5 mit geringerer Materialdicke als auch Bereiche mit größerer Materialdicke ein nahezu identischen Verfestigungsverhalten aufweisen, was auf die identische relative Schichtdickenverteilung in diesen Bereichen zurückgeführt wird. Insofern kann eine Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften, insbesondere der Festigkeit und des Biegewinkels, bei dem Materialverbunds 5 im Gegensatz zu monolithischen Materialien nicht festgestellt werden. Aufgrund dieses von der Materialdicke unabhängigen Verfestigungsverhaltes wird die maximal erzeugbare Restduktilität des Materialverbunds 5 nicht durch die minimale Materialdicke begrenzt, so dass beim flexiblen Walzen größere Dickenunterschiede eingestellt werden können. Daher kann das Gewicht der hergestellten Strukturbauteile weiter reduziert werden Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zum flexiblen Walzen
2 Walze
3 Walze
4 Walzspalt
5 Materialverbund
5.1 Materialverbund
5.2 Materialverbund
5.3 Materialverbund
5.4 Materialverbund
6 dicker Bereich
7 dünner Bereich
10 Beschichtung
1 1 Außenlage
12 Mittellage
13 Außenlage
14 Beschichtung
A1 , A2 Material der Mittellage
B1 , B2 Material der Außenlagen
G Gerade

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken,
- wobei ein mehrlagiger, metallischer Materialverbund (5) bereitgestellt wird, welcher mehrere Lagen (1 1 , 12, 13) mit unterschiedlicher Duktilität aufweist,
- wobei der Materialverbund in einem Verfahren zum flexiblen Walzen durch einen zwischen zwei Walzen (2, 3) gebildeten Walzspalt (4) gewalzt wird, welcher derart verändert wird, dass Bereiche (7, 8) mit unterschiedlicher Materialdicke gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Materialverbund (5) bei Raumtemperatur gewalzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Materialverbund (5) bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Lagen (1 1 , 12, 13) des Materialverbunds (5), insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 700 °C bis 1300 °C, bevorzugt im Bereich von 880°C bis 920°C, besonders bevorzugt bei 900°C, gewalzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Materialverbund (5) eine Mittellage (12) aufweist, wobei auf einer ersten Seite der Mittellage (129 eine erste Außenlage (1 1 ) angeordnet ist und auf einer der erste Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite der Mittellage (12) eine zweite Außenlage (13) angeordnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei auf einer der Mittellage (12) gegenüberliegenden Seite der Außenlage (1 1 , 13) eine Beschichtung (10, 14) angeordnet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Materialverbund (5) einen bezüglich der Mittellage (12) symmetrischen Schichtaufbau aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Außenlagen (1 1 , 13) eine höhere Duktilität aufweisen als die Mittellage (12).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (1 1 , 13) des Materialverbunds (5) aus einem Kohlenstoff enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Kohlenstoffgehalt in den Außenlagen (1 1 , 13) geringer ist als in der Mittellage (12).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (1 1 , 13) des Materialverbunds (5) aus einem Mangan enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Mangangehalt in den Außenlagen (1 1 , 13) geringer ist als in der Mittellage (12).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (1 1 , 13) des Materialverbunds (5) aus einem Silizium enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Siliziumgehalt in den Außenlagen (1 1 , 13) geringer oder gleich dem Siliziumgehalt in der Mittellage (12) ist.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (1 1 , 13) des Materialverbunds (5) aus einem Chrom enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Chromgehalt in den Außenlagen (1 1 , 13) geringer oder gleich dem Chromgehalt in der Mittellage (12) ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 1 1 , wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (1 1 , 13) des Materialverbunds (5) aus einem Kohlenstoff und/oder Mangan und/oder Silizium und/oder Chrom enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei die Summe des Kohlenstoffgehalts und des Mangangehalts und des Siliziumgehalts und des Chromgehalts in den Außenlagen (1 1 , 13) geringer ist als die Summe des Kohlenstoffgehalts und des Mangangehalts und des Siliziumgehalts und des Chromgehalts in der Mittellage (12).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei die Dicke der Außenlagen (1 1 , 13) im Bereich von 5%-40% der Gesamtdicke des Materialverbunds (5) liegt, bevorzugt im Bereich von 10% bis 25% der Gesamtdicke des Materialverbunds (5), besonders bevorzugt im Bereich von 10 % bis 20 % der Gesamtdicke des Materialverbunds (5).
14. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken, wobei ein Halbzeug durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche bereitgestellt wird, wobei das Halbzeug warm umgeformt wird, um ein Strukturbauteil zu erhalten.
15. Verwendung eines flexibel gewalzten Materialverbunds (5) in einer Fahrzeugstruktur.
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