Die Erfindung betrifft ein umformgehärtetes Bauteil aus verzinktem Stahl, ein

Verfahren zur Erzeugung eines Stahlbandes geeignet zur Umformhärtung von Bauteilen und ein Verfahren zur Herstellung eines umformgehärteten Bauteils aus diesem Stahlband.

Im Folgenden soll unter dem Begriff der Umformhärtung insbesondere neben der bekannten Presshärtung von Blechen auch die Warmumformung und Härtung von Rohren, insbesondere die Innenhochdruckumformung und die Biegeumformung mit und ohne entsprechenden Umformwerkzeugen, verstanden werden.

Es ist bekannt, dass warmumgeformte insbesondere pressgehärtete Stahlbleche im Automobilbau immer häufiger Verwendung finden. Durch den Prozess des

Presshärtens können hochfeste Bauteile erzeugt werden, die vorwiegend im

Karosseriebereich eingesetzt werden. Das Presshärten kann grundsätzlich mittels zweier verschiedener Verfahrensvarianten durchgeführt werden, nämlich mittels eines direkten oder indirekten Verfahrens. Hierbei werden zunächst aus einem Stahlband oder Stahlblech Platinen zugeschnitten, die anschließend zu einem Bauteil weiterverarbeitet werden.

Beim direkten Verfahren wird eine Stahlblechplatine über die sogenannte

Austenitisierungstemperatur aufgeheizt, anschließend wird die so erhitzte Platine in ein Formwerkzeug überführt und in einem einstufigen Umformschritt zum fertigen Bauteil umgeformt und gleichzeitig durch das gekühlte Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit des Stahls liegt, abgekühlt, so dass ein gehärtetes Bauteil erzeugt wird.

Beim indirekten Verfahren wird zunächst in einem Umformprozess die Platine zu einem endabmessungsnahen Bauteil umgeformt und beschnitten. Dieses Bauteil wird anschließend auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur erhitzt und in ein Formwerkzeug überführt und eingelegt, welches die Endabmessungen besitzt. Nach dem Schließen des gekühlten Werkzeuges wird das vorgeformte Bauteil in diesem Werkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt und dadurch gehärtet.

Bekannte warmumformbare Stähle für diesen Einsatzbereich sind zum Beispiel der Mangan-Bor-Stahl„22MnB5" und neuerdings auch luftvergütbare Stähle gemäß der Offenlegungsschrift DE 10 2010 024 664 A1 . Neben unbeschichteten Stahlblechen werden von der Automobilindustrie für das Presshärten vermehrt auch Stahlbleche mit einem Verzunderungsschutz gefordert und eingesetzt, der gleichzeitig einen Korrosionsschutz beim späteren Einsatz des Bauteils bietet. Die Vorteile liegen neben der erhöhten Korrosionsbeständigkeit des fertigen Bauteils darin, dass die Platinen oder Bauteile im Ofen nicht verzundern, wodurch der Verschleiß der Pressenwerkzeuge durch abgeplatzten Zunder reduziert wird.

Zum Einsatz beim Presshärten kommen derzeit durch Schmelztauchen aufgebrachte Beschichtungen aus Aluminium-Silizium (AS), Zink-Aluminium (Z), Zink-Aluminium- Eisen (ZF/ Galvannealed), Zink-Magnesium-Aluminium-Eisen (ZM) sowie

elektrolytisch abgeschiedene Beschichtungen aus Zink oder Zink-Nickel, die vor der Warmumformung in eine Eisen-Zink-Legierungsschicht umgewandelt werden können. Diese Korrosionsschutzbeschichtungen werden üblicherweise in kontinuierlichen Durchlaufverfahren auf das Warm- oder Kaltband aufgebracht.

Der Vorteil von zinkbasierten Korrosionsschutzbeschichtungen liegt darin, dass diese nicht nur eine Barrierewirkung wie die aluminiumbasierten Beschichtungen aufweisen, sondern zusätzlich einen aktiven kathodischen Korrosionsschutz für das Bauteil bieten können.

Das Presshärten von Stahlblechplatinen mit zinkbasierten Beschichtungen ist aus der DE 601 19 826 T2 bekannt. Hier wird eine zuvor oberhalb der

Austenitisierungstemperatur auf 800 - 1200 °C erwärmte und ggf. mit einer metallischen Beschichtung aus Zink oder auf Basis von Zink versehene Blechplatine in einem fallweise gekühlten Werkzeug durch Warmumformung zu einem Bauteil umgeformt, wobei während des Umformens durch schnellen Wärmeentzug das Blech bzw. Bauteil im Umformwerkzeug eine Abschreckhärtung (Presshärtung) erfährt und durch das entstehende martensitische Härtegefüge die geforderten

Festigkeitseigenschaften erreicht.

Zinkbasierte Systeme haben allerdings auch einen Nachteil. So ist insbesondere beim direkten Presshärten von zinkbasierten Korrosionsschutzbeschichtungen bekannt, dass während des Umformschritts im oberflächennahen Bereich Makrorisse (>100 μηη) im Stahl auftreten können, die teilweise sogar durch den Blechquerschnitt reichen. Aus der Literatur ist bekannt, dass auch kleinere Mikrorisse (10 μηη bis 100 μηη) bereits die Dauerfestigkeit des Bauteils senken und dadurch deren Einsatz verhindern können. Unterhalb von 10 μηη werden Mikrorisse allgemein als

unschädlich angesehen. Die Ursache für das Auftreten von Makrorissen ist eine flüssigmetallinduzierte Spannungsrisskorrosion, die auch als Flüssigmetallversprödung, Liquid Metal Assisted Cracking (LMAC) oder Liquid Metal Embrittlement (LME) bezeichnet wird. Hierbei werden die Austenitkorngrenzen des Stahls durch flüssige Zinkphasen infiltriert und geschwächt, was insbesondere in Bereichen mit hohen Spannungen bzw. Umformgraden zu tiefen Rissen führen kann.

Eine Möglichkeit dies zu vermeiden, ist das in der Patentschrift DE10 2010 056 265 B3 beschriebene Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteiles mit einer Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung, wobei die Platine abhängig von der Dicke der Zinkschicht oder der Dicke der Zinklegierungsschicht vor dem Umformen so lange auf einer Temperatur von über 782°C gehalten wird, dass sich zwischen dem Stahl und der Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung eine Sperrschicht aus Zinkferrit ausbildet und die sich ausbildende Zinkferritschicht flüssiges Zink aufnimmt und so dick ausgebildet wird, dass beim Umformen keine flüssigen Zinkphasen mit dem Stahl reagieren.

Unter Zinkferrit wird hier ein Eisen-Zink-Mischkristall verstanden, in dem die

Zinkatome substitutioneil gelöst im Eisenkristallgitter vorliegen. Durch den geringen Zinkgehalt liegt der Schmelzpunkt des Zinkferrits oberhalb der Umformtemperatur. Eine weitere Möglichkeit ist das in der Patentschrift EP 2 414 562 B1 beschriebene Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils, wobei auf dem

Stahlflachprodukt eine einphasige aus [gamma-]ZnNi-Phase bestehende Zink-Nickel- Legierungsschicht elektrolytisch abgeschieden wird, welche neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen 7 bis 15 Gew.% Nickel enthält, eine aus dem Stahlflachprodukt gebildete Platine auf eine mindestens 800°C betragende

Platinentemperatur erwärmt wird und anschließend in einem Formwerkzeug geformt und mit einer zur Ausbildung des Vergütungs- oder Härtegefüges ausreichenden Geschwindigkeit abgekühlt wird.

Durch den Nickelgehalt wird der Schmelzpunkt der Legierungsschicht derart erhöht, dass bei der Warmumformung keine flüssige Zinkphase und somit keine

Flüssigmetallversprödung auftreten kann. Allerdings hat das Verfahren den Nachteil, dass einige Verarbeiter/Kunden davon Abstand nehmen. Begründet wird dies durch die Absicht weitestgehend nickelfreie Prozesse und Produkte zu betreiben.

Daneben kann es bei der Presshärtung in Zonen mit ungünstigen

Belastungszuständen wie zum Beispiel im Zargenbereich von Bauteilen zu

Mikrorissen kommen, die ausgehend von der Zinkbeschichtung tief in das Substrat laufen und bei größeren Risstiefen die Dauerfestigkeit des Bauteils beeinträchtigen können. Mikrorisse können dabei auch ohne das Vorhandensein von flüssigen Zinkphasen entstehen. Hierbei wird die Rissspitze durch eindiffundierende Zinkatome geschwächt. Eine Möglichkeit zur Vermeidung von Mikrorissen > Ι Ομηη ist der Einsatz des indirekten Presshärtens bei zinkbasierten Beschichtungen, da hier der eigentliche Umformschritt vor der Härtung bei Umgebungstemperaturen durchgeführt wird. Zwar können bei der Härtung und Restformgebung im Werkzeug ebenfalls Risse auftreten, deren Tiefe ist jedoch im Vergleich zu den Rissen bei der direkten Prozessierung deutlich geringer.

Das indirekte Verfahren ist jedoch erheblich aufwendiger, da zum einen ein zusätzlicher Arbeitsschritt nötig ist (Kaltumformung) und zum anderen spezielle Öfen zur Erwärmung verwendet werden müssen, in denen Bauteile statt Platinen vor der Härtung erwärmt werden können. Schließlich wird in der Patentschrift DE 10 2013 100 682 B3 ein Verfahren zur Vermeidung von Mikrorissen beschrieben, bei dem die erwärmte Platine vor dem Presshärten einem Zwischenkühlschritt unterzogen wird. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig, da ein zusätzlicher Fertigungsschritt in den Herstellprozess implementiert werden muss.

Des Weiteren sind aus den Offenlegungsschriften WO 2012 028 224 A1 , WO 2010 069 588 A1 , WO 2005 021 821 A1 und DE 102 46 614 A1 bereits verzinkte Stähle zur Herstellung pressgehärteter Bauteile bekannt. In der Offenlegungsschrift JP 2006 152 427 A sind weitere Stähle zur Herstellung hochfester pressgehärteter Bauteile beschrieben, deren Gefüge nach dem Presshärten überwiegend aus Martensit mit einer Korngröße der ehemaligen Austenitkörner von weniger alsl 0 μηη besteht.

Ferner ist aus der Offenlegungsschrift WO 2009 082 091 A1 ein warmgewalztes Stahlblech mit ausgezeichneten Warmumformeigenschaften und hoher Festigkeit bekannt. Den Legierungselementen Nb, Ti und V wird neben einer Verbesserung der Zähigkeit auch eine kornfeinende Wirkung zugesprochen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein umformgehärtetes Bauteil aus verzinktem Stahl anzugeben, welches kostengünstig in der Herstellung ist, und bei dem Mikrorisse > 10μηι nach der Umformhärtung weitestgehend vermieden werden. Des Weiteren sollen ein Verfahren zur Erzeugung eines Stahlbandes geeignet zur Umformhärtung von Bauteilen und ein Verfahren zur Herstellung eines umformgehärteten Bauteils aus diesem Stahlband bereitgestellt werden.

Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein umformgehärtetes Bauteil aus verzinktem Stahl gelöst, bei dem zunächst aus einem mit Zink oder mit einer Legierung auf Basis von Zink beschichteten Stahlband oder Stahlblech eine Platine zugeschnitten, anschließend auf eine Umformtemperatur oberhalb Ac3 erwärmt und umgeformt und dabei gehärtet wird, aufweisend ein zumindest teilmartensitisches Umwandlungsgefüge nach der Formgebung, wobei der Stahl folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-%

C: 0,10 - 0,50

Si: 0,01 - 0,50

Mn: 0,50 - 2,50 P<0,02

S<0,01

N<0,01

AI: 0,015 - 0,100

B<0,004 Rest Eisen, einschließlich unvermeidbarer erschmelzungsbedingter, stahlbegleitender Elemente, mit mindestens einem Element aus der Gruppe Nb, V, Ti, wobei die Summe der Gehalte Nb+V+Ti in einem Bereich von 0,01 bis 0,20 Gew.-% liegt und wobei das Gefüge des Stahls nach der Umformhärtung eine mittlere

Korngröße der ehemaligen Austenitkörner von weniger ΒΐβΙ δμηΊ aufweist.

Überraschend hat sich bei Versuchen gezeigt, dass durch die Verwendung von Platinen mit der angegebenen Legierungszusammensetzung in Kombination mit der Einstellung eines sehr feinkörnigen Gefüges, Mikrorisse bei der Umformhärtung drastisch reduziert oder sogar verhindert werden konnten. Hierbei spielt die Zugabe von Mikrolegierungselementen aus der Gruppe Niob, Titan und Vanadium in den angegebenen Gehalten sowie die dadurch ermöglichte gezielte Einstellung eines sehr feinkörnigen Gefüges im Zuge der Herstellung des Stahlbandes eine entscheidende Rolle. Wird ein Gefüge mit einer Korngröße der ehemaligen Austenitkörner von kleiner als 15 μηη eingestellt, sinkt die Neigung zur Mikrorissbildung drastisch. Noch deutlicher wird das Ergebnis, wenn Korngrößen von kleiner 12 μηη oder kleiner 9 μηη eingestellt werden.

Vermutlich wird durch die Einstellung eines sehr feinkörnigen Gefüges die

Risseinleitung und der Rissfortschritt behindert bzw. deutlich reduziert. Darüber hinaus wird durch die Zugabe von Niob, Vanadium oder Titan die

Korngrenzenkohäsion der Austenitkörner erhöht, was vermutlich ebenfalls einen positiven Effekt auf die Vermeidung der Rissbildung beim Umformhärten hat.

In einer bevorzugten Legierungszusammensetzung weist der Stahl einen C-Gehalt von 0,20 bis 0,40 Gew.-%, einen Si-Gehalt von 0,15 bis 0,25 Gew.-%, einen AI-Gehalt von 0,015 bis 0,04 Gew.-% auf, wobei die Summe der Gehalte Nb+V+Ti in einem Bereich von 0,03 bis 0,15 Gew.-% liegt.

Um die gewünschten Effekte im Hinblick auf ein möglichst feinkörniges Gefüge zu erreichen, weist der Stahl einen Nb-Gehalt von größer als 0,03 bis kleiner gleich 0,08 Gew.-% und/oder einen V-Gehalt von 0,03% bis 0,08 Gew.-% und/oder einen Ti- Gehalt von größer als 0,09 bis kleiner gleich 0,2 Gew.-% auf.

Verfahrenstechnisch wird die Erfindung zur Erzeugung eines Stahlbandes geeignet zur Umformhärtung von Bauteilen durch folgende Schritte realisiert:

- Erschmelzen eines Stahls mit folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% C: 0,10 - 0,50

Si: 0,01 - 0,50

Mn: 0,50 - 2,50

P<0,02

S<0,01

N<0,01

AI: 0,015 - 0,100

B<0,004

Rest Eisen, einschließlich unvermeidbarer erschmelzungsbedingter, stahlbegleitender Elemente, mit mindestens einem Element aus der Gruppe Nb, V, Ti, wobei die Summe der Gehalte Nb+V+Ti in einem Bereich von 0,01 bis 0,20 Gew.-% liegt,

- Vergießen des Stahls im Stranggießverfahren zu einzelnen Brammen mit anschließender Abkühlung an ruhender Luft,

- Wiedererwärmen der Brammen auf eine Temperatur im Bereich von 1200°C bis 1280°C - Die Haltezeit über 1200°C muss dabei min. 30 min betragen, -

- Warmwalzen der wiedererwärmten Brammen mit einer Walzendtemperatur im Bereich von 780C bis 920C,

- Aufwickeln des Warmbandes bei einer Haspeltemperatur im Bereich von 630°C bis 750°C,

- Optionales Kaltwalzen des Warmbandes mit anschließender optionaler

Rekristallisationsglühung,

- Beschichten des warm- oder kaltgewalzten Bandes mit Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink,

- Optionale Wärmebehandlung zur Überführung der Zink- oder

Zinklegierungsbeschichtung in eine Zink-Eisen-Legierungsschicht.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die karbidbildenden Mikrolegierungselemente, wie beispielsweise Niobcarbid, eine ausreichende Auflösung aus dem

vorangegangenen Stranggießprozess erfahren müssen, um im Zuge des Warmwalzens feine Ausscheidungen auf den Austenitkorngrenzen zu bilden, die dann maßgebend zur Keimbildung bei der Phasenumwandlung und Behinderung der Kornvergröberung bei hohen Temperaturen und damit für die Feinkörnigkeit und die Rissbeständigkeit im späteren umformgehärteten Bauteil sind.

Erfindungsgemäß erfolgt daher eine Wiedererwärmung der Bramme auf eine

Temperatur im Bereich von 1200°C bis 1280°C . Die Haltezeit über 1200°C muss dabei mindestens 30 min betragen. Zudem wird die Endwalztemperatur erfindungsgemäß gegenüber üblichen

Temperaturen auf werte in einem Bereich von 780°C bis 920°C herabgesetzt, um eine hohe Versetzungsdichte am Ende des Warmwalzprozesses zu erzielen. Dies führt bei der anschließenden Abkühlung des Warmbandes zu einer hohen Keimdichte für die Phasenumwandlung und damit zu dem angestrebten sehr feinen Korn.

Erfindungsgemäß wird das Warmband anschließend bei einer Haspeltemperatur im Bereich von 630°C bis 750°C zu einem Coil aufgewickelt. Dieser Temperaturbereich wurde erfindungsgemäß festgelegt, da erkannt wurde, dass in diesem

Temperaturbereich der Ausscheidungsdruck für die Ausscheidungen am größten ist

Das so erzeugte Warmband kann anschließend verzinkt und direkt weiter zu einem Bauteil verarbeitet werden oder es wird ein Kaltwalzschritt der Verzinkung

vorgeschaltet, um entsprechend dünne Bänder von beispielsweise unter 1 ,5 mm Dicke zu erzeugen. Falls das Warmband einem Kaltwalzschritt unterzogen wurde, kann das kaltgewalzte Band anschließend optional einer Rekristallisationsglühung unterzogen werden. Dies kann in einer Haubenglühe oder in einer

Durchlaufglühanlage erfolgen, wobei die Durchlaufglühung auch im Zuge einer Schmelztauchverzinkung erfolgen kann. Als Beschichtungsverfahren kommt sowohl das Schmelztauchen, als auch das elektrolytische Verzinken in Betracht. Die Beschichtung basiert auf Zink als

Hauptbestandteil, wobei aber auch beispielsweise Aluminium, Magnesium, Nickel und Eisen einzeln oder in Kombination hierin enthalten sein können. Auch sind

kombinierte Beschichtungen aus elektrolytischer Abscheidung von beispielsweise Nickel, Eisen oder Zink und einer nachfolgenden Glühung und Schmelztauchveredlung möglich. Weiter ist es möglich, eine dünne Beschichtung durch Abscheidung aus der Gasphase zu erzeugen und nachfolgend das Band elektrolytisch oder durch Schmelztauchen mit einer Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung zu veredeln. Darüber hinaus ist es möglich, die erzeugten Schichten durch eine geeignete Glühbehandlung in Zink-Eisen Legierungsschichten zu überführen, um beispielsweise beim Umformhärten kürzere Ofenzeiten oder eine induktive Schnellerwärmung zu ermöglichen. Dies kann entweder unmittelbar nach dem Schmelztauchprozess erfolgen (Galvannealing) oder aber in einem separatem Prozessschritt erfolgen in Form einer Hauben- oder Durchlaufglühung.

Das so erzeugte umformgehärtete Bauteil weist eine außerordentlich gute

Umformbarkeit auf, wobei in einem Biegeversuch ermittelte Biegewinkel von über 60° und sogar bis über 80° möglich sind, insbesondere, wenn das walzharte Kaltband vor der Verzinkung einer rekristallisierenden Haubenglühung in einem Temperaturbereich von 650°C bis 700°C und einer Haltezeit von 24 bis 72 Stunden unterzogen wurde.

Die Dicke der Beschichtung kann je nach Anforderung an den Korrosionsschutz zwischen 5 μηη und 25 μηη betragen, wobei auch größere Dicken möglich sind. Auch können aus dem nach dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellten

Stahlband verschweißte Rohre hergestellt werden, die dann jeweils zu einem Bauteil umformgehärtet werden. Die Umformhärtung kann zum Beispiel im Zuge eines Biegeprozesses oder durch Innenhochdruckumformung erfolgen. Die Rohre können als geschweißte Rohre vorliegen oder das Stahlband wird zu einem Schlitzrohr umgeformt, welches dann entlang seiner Bandkanten verschweißt wird, wobei als Schweißverfahren zur Herstellung geschweißter Rohre zum Beispiel Hochfrequenz-Induktionsschweißen (HFI) oder Laserschweißen in Frage kommen.