Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Leichtbaustahl mit über die Wanddicke einstellbaren Werkstoffeigenschaften gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im Folgenden werden unter Werkstücken Bauteile oder Vorprodukte für Bauteile, wie z. B. Bänder, Bleche oder Rohre, verstanden, die beispielsweise in Bereichen des Maschinen-, Anlagen-, Stahl- und Schiffbaus sowie insbesondere des Kraftfahrzeugbaus Anwendung finden.

Gerade der stark umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauchs unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und

Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller

Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle, andererseits aber auch ein die passive

Sicherheit der Passagiere förderndes Verhalten der einzelnen Bauteile bei hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen im Betrieb und im Crashfall.

In den letzten Jahren hat es große Entwicklungsfortschritte auf dem Gebiet der sogenannten Leichtbaustähle gegeben, die sich durch ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hohen Festigkeiten und Zähigkeiten auszeichnen (z. B. EP 0489 727 B1 , EP 0 573 641 B1, DE 199 00199 A1) sowie eine hohe Duktilität aufweisen und damit für den Fahrzeugbau von großem Interesse sind.

Bei diesen im Ausgangszustand austenitischen Stählen wird durch den hohen Anteil von

Legierungsbestandteilen mit einem spezifischen Gewicht weit unterhalb des spezifischen Gewichts von Eisen (Mn, Si, AI) eine für die Automobilindustrie vorteilhafte Gewichtsreduzierung unter Beibehaltung der bisherigen Konstruktionsbauweise erreicht.

Aus der DE 10 2004 061 284 A1 ist z. B. ein Leichtbaustahl bekannt mit einer

Legierungszusammensetzung (in Gew.%): C 0,04 bis < 1 ,0

AI 0,05 bis < 4,0

Si 0,05 bis < 6,0

Mn 9,0 bis < 18,0

Rest Eisen einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente. Optional können je nach Anforderung Cr, Cu, Ti, Zr, V und Nb zugegeben werden.

Dieser bekannte Leichtbaustahl weist ein teilstabilisiertes γ-Mischkristall-Gefüge mit definierter Stapelfehlerenergie mit einem z. T. multiplen TRIP-Effekt auf, der die spannungs- oder dehnungsinduzierte Umwandlung eines flächenzentrierten γ-Mischkristalls (Austenit) in einen ε- Martensit (hexagonal dichteste Kugelpackung), der dann bei weiterer Verformung in einen raumzentrierten α-Martensit und Restaustenit transformiert.

Der hohe Umformgrad wird durch TRIP- (Transformation Induced Plasticity) und TWIP- (Twinning Induced Plasticity) Eigenschaften des Stahles erreicht.

Zahlreiche Versuche haben zur Erkenntnis geführt, dass im komplexen Zusammenspiel zwischen AI, Si, Mn dem Kohlenstoffgehalt eine überragende Bedeutung zukommt. Er erhöht zum Einen die Stapelfehlerenergie und erweitert zum Anderen den metastabilen Austenitbereich. Dadurch können die verform ungsinduzierte Martensitbildung und die damit verbundene Verfestigung und auch die Duktilität beeinflusst werden.

Mit diesen Leichtbaustählen können die Kundenanforderungen schon weitestgehend erfüllt werden, es besteht jedoch auch weiterhin der Wunsch nach beanspruchungsoptimierten

Werkstücken aus Leichtbaustahl, die entsprechend den zu erwartenden Beanspruchungen im Betrieb in Wand- oder Blechdickenrichtung unterschiedliche Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, usw. aufweisen. Als Beispiel seien hier beschusssichere Fahrzeugteile genannt, bei denen das Bauteil eine oberflächenharte Schicht zur Abwehr von Projektilen und für ein hohes Energieaufnahmevermögen im Beschussfall eine hohe Zähigkeit der darunter liegenden Schicht aufweisen muss.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbandes aus Stahl ist beispielsweise aus der DE 101 24 594 A1 bekannt. Hiernach wird ein nach dem Zweirollenverfahren direkt gegossenes ferritisches Kernband mit einem austenitischen oder hochlegierten ferritischen Kaltband plattiert. Rohre mit über die Wanddicke unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften sind u. a. aus der EP 0 944 443 B1 bekannt. Hier wird in ein Rohr ein weiteres Rohr eingeschoben und hiermit verbunden, wobei unterschiedliche Werkstoffe für Außen- und Innenrohr verwendet werden.

Nachteil dieser bekannten Verfahren ist der durch die Plattierung bedingte scharfe Sprung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffes, der die den jeweiligen Anforderungen entsprechende optimale Anpassung der Eigenschaften über die Wand- bzw. Banddicke erschwert sowie die hohen Kosten für die Herstellung der Plattierung. Außerdem geht der Gewichtsvorteil der Leichtbaustähle durch die Plattierung mit konventionellen Stählen weitgehend verloren.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes ist aus der DE 39 04 776 C2 bekannt, bei dem mittels Diffusionsschweißen mehrere Schichten aus Stahl miteinander verbunden werden und diese Schichten mittels Metalloiden in Gasatmosphäre auflegiert werden in der Form, dass sich über den Querschnitt des Flachproduktes ein unterschiedliches

Konzentrationsprofil der Metalloide einstellt.

Hierdurch lassen sich über den Querschnitt des Verbundbandes unterschiedliche

Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit einstellen.

Auch dieses Verfahren ist aufwändig und weist ebenfalls Gewichtsnachteile gegenüber nur aus Leichtbaustahl bestehenden Werkstücken auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus austenitischem Leichtbaustahl anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise unter Beibehaltung des Gewichtsvorteils des Leichtbaustahls über die Band- bzw. Wanddicke unterschiedliche Werkstoffeigenschaften variabel eingestellt werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden

Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von Warmbändern sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung wird das Bauteil oder Vorprodukt einer entkohlenden

Glühbehandlung unter oxidierender Atmosphäre unterzogen in der Weise, dass sich in den oberflächennahen Bereichen ein ferritisches oder metastabiles Austenitgefüge bildet, dessen Schichtdicke über Variation der Glühparameter (Temperatur, Haltezeit) und Glühatmosphäre (Gaszusammensetzung, Partialdruck) einstellbar ist und zur Erzeugung eines Eigenschaftsgradienten einer nachfolgenden beschleunigten Abkühlung und/oder einer Kaltumformung unterzogen wird.

Der Kern der Erfindung besteht darin, bei Stahlwerkstoffen, die aufgrund ihres

Legierungskonzeptes permanent austenitisch sind und dabei ausreichend hohe Kohlenstoffgehalte aufweisen, durch eine gezielte Entkohlung ausgehend von der Werkstückoberfläche lokal einen ferritischen bzw. ferritisch-austenitischen Werkstoff einzustellen, mit dem alle Gefügezustände ferritischer Stähle durch entsprechende Erwärmungs- und Abkühlbedingungen herstellbar sind. Dazu gehören die Gefügebestandteile Ferrit, Bainit und insbesondere Martensit sowie Karbid in verschiedenen Morphologien.

Darüber hinaus können Stähle, deren Umformung aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung (Stapelfehlerenergie) bevorzugt über die Bildung von Zwillingen erfolgt (TWIP), nach einer gezielten Randentkohlung lokal an der Oberfläche zu einer verformungsinduzierten Umwandlung von Austenit in Martensit (TRIP) überführt werden.

Hierbei kann dann beispielsweise bei der Kaltumformung eines Bleches in den entkohlten Bereichen verformungsinduzierter Martensit mit entsprechend hoher Härte erzeugt werden. Dabei liegt in der gezielt entkohlten Randschicht ein zunächst instabiler Austenit vor, der nach der Umformung den TRIP-Effekt aufweist.

Bei Versuchen wurde durch das entkohlende Glühen in allen Proben eine Randentkohlung eingestellt, wie durch GDOES-Messungen gezeigt werden konnte. Die metallographischen Auswertungen zeigten bei allen Proben eine durch gezieltes Abkühlen und/oder Kaltumformung erzeugte Martensitbildung im Bereich der Werkstückoberfläche mit gleichzeitigem Härteanstieg im Randbereich des Werkstücks.

Dementsprechend konnte mit gezielter Randentkohlung durch eine Glühung an oxidierender Atmosphäre ein Gradientenwerkstoff hergestellt werden.

Im Randbereich weist der so wärmebehandelte Stahl durch den reduzierten Kohlenstoffgehalt einen metastabilen Austenit auf, der bei der anschließenden Kaltumformung und/ oder bereits durch Abschrecken Martensit bildet und damit eine entsprechend hohe Härte aufweist. Im Kern liegt ein stabiler Austenit mit dem Ausgangskohlenstoffgehalt vor, der nach der Umformung Zwillinge und eine hohe Duktilität bei einer geringeren Härte aufweist. Eine der Wärmebehandlung anschließende Kaltumformung führte durch den auftretenden TRIP- Effekt zu einer Martensitbildung, verbunden mit einem erheblichen Anstieg der Härte.

Bekannt ist, dass kohlenstoffhaltige ferritische Stahlsorten für das Härten oder Vergüten eingesetzt werden, um unterschiedliche Werkstoffeigenschaften von Werkstückoberfläche und Kern zu erzielen. Austenitische Stahlsorten können dagegen werkstoffbedingt nicht gehärtet werden.

Bekannt ist bei kohlenstoffhaltigen ferritischen Stahlsorten ebenfalls, dass beim Härten oder Vergüten eine sogenannte Randoxidation auftreten kann, die sowohl für eine Verzunderung der Oberfläche wie auch für eine Entkohlung in oberflächennahen Bereichen verantwortlich ist.

Üblicherweise ist die Entkohlung unerwünscht, da der Werkstoff in diesen Bereichen an Härte verliert. Deshalb wird die maximale Tiefe der Entkohlung in Normen und Kundenspezifikationen beschränkt (z. B. Vergütungsstähle oder Kugellager).

Die vorliegende Erfindung verlässt diesen Stand der Technik und geht den entgegen gesetzten Weg, in dem die Entkohlung des austenitischen Leichtbaustahls kombiniert mit beschleunigter Abkühlung und/oder einer Kaltumformung gezielt zur Härtesteigerung eingesetzt wird, mit der unterschiedliche Werkstoffeigenschaften in Blechdickenrichtung eingestellt werden können.

Gegenüber bekannten Verbundwerkstoffen aus ferritischen Stahlsorten lassen sich

blechdickenabhängige Werkstoffeigenschaften auf einfache und kostengünstige Weise unter Beibehaltung der Gewichtsvorteile und der sonstigen vorteilhaften Eigenschaften des

Leichtbaustahls realisieren. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jetzt möglich, hochlegierte austenitische Leichtbaustähle für sogenannte Gradientenwerkstoffe einzusetzen. Die Entkohlung, d. h. die Ausbildung eines Gradientenwerkstoffs kann sowohl am Warmband wie auch am Kaltband vorgenommen werden, wobei die so behandelten Bänder mit einem metallischen Überzug versehen sein können. Als metallische Überzüge kommen z. B. auf Zn, wie auch auf Mg oder AI basierende Überzüge mit unterschiedlichen Legierungsanteilen in Frage.

Mit einem solchen erfindungsgemäß hergestellten Gradientenwerkstoff wird der

Anwendungsbereich bekannter Leichtbaustähle gerade im Automobilbereich deutlich vergrößert, wobei jeweils beanspruchungsoptimierte Werkstücke kombiniert mit den Vorteilen der

Leichtbaustähle zum Einsatz gelangen. Darüber hinaus ist der durch die unterschiedlichen Gefüge einstellbare Gradient der Festigkeit für die Auslegung von Konstruktionen z. B. im Baubereich von Bedeutung.

Durch eine gezielte Führung der Glühparameter (Temperatur, Haltezeit) sowie der oxidierenden Glühatmosphäre (Gaszusammensetzung, Partialdruck) bei der Wärmebehandlung kann der Grad der Entkohlung und dessen Tiefe ausgehend von der Werkstückoberfläche eingestellt werden.

Beispielsweise wird bei längerer Glühzeit und höherer Glühtemperatur die Entkohlung intensiver und wirkt tiefer in das Werkstück ein. Die oxidierende Glühatmosphäre kann z. B. Luft sein oder es können gezielt Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase zugesetzt werden, wobei über die Höhe des Gaspartialdrucks der Grad der Entkohlung ebenfalls variiert werden kann.

Ebenso ist es möglich, durch eine gezielte Führung der Wiedererwärmbedingungen vor dem Warmwalzen und/oder zwischen den Warmwalzstichen (Temperatur, Haltezeiten) unter oxidierender Glühatmosphäre eine Entkohlung herbeizuführen. In Kombination mit einer reduzierenden oder inerten Glühbehandlung kann der Grad der Entkohlung und deren Tiefe ausgehend von der Werkstückoberfläche anschließend genau eingestellt werden. Z. B. wird bei längerer Walzzeit bzw. Liegezeit im Ofen und höherer Walztemperatur die Entkohlung intensiver und wirkt tiefer in das Werkstück ein.

Durch die anschließende reduzierende oder inerte Glühbehandlung kann der Grad der Entkohlung variiert werden, indem die randentkohlte Schicht durch Ausgleichsprozesse wieder verringert werden kann. Hierdurch lässt sich über die Dicke des Werkstücks gezielt ein Gradient der Entkohlung einstellen mit entsprechenden Eigenschaften nach der anschließenden gezielten Abkühlung und/oder Kaltumformung.

Die Höhe der Abkühlgeschwindigkeit und des Umformgrades beeinflusst dabei die

Martensitbildung und damit den Grad der Härtung.

Ein solcher Werkstoff ist besonders für Anwendungen geeignet, bei denen eine große

Oberflächenhärte kombiniert mit einer hohen Zähigkeit gefordert wird, wie beispielsweise für beschusssichere Bauteile, da der Werkstoff eine hohe Randhärte (Martensit) mit einer sehr hohen Energieabsorption im Beschussfall aufweist.

Folgende Legierungszusammensetzungen wurden bei den Betriebsversuchen verwendet in Gew.%: Figur 1a Figur 1b Figur 1c Figur 1d

C 0,7 0,7 0,7 0,7

AI 2,5 2,5 2,5 2,5

Si 2,5 0,2 0,3 0,3

Mn 15 15 15 15

Rest Eisen einschließlich üblicher Stahlbegleitelemente.

Gefügeaufnahmen von erfindungsgemäß behandelten Werkstücken zur Martensitbildung und entsprechenden Härtemessungen werden in zwei Gefügebildern (Figur 1a, 1b) gezeigt. Die Werkstoffe unterscheiden sich hier im Si-Gehalt. Die Gefügebilder zeigen in den oberflächennahen Bereichen eine Schicht aus Martensit unterschiedlicher Dicke und den damit verbundenen deutlichen Härteanstieg gegenüber dem Austenitgefüge in der Matrix. Hier zeigt der Stahl gemäß Figur 1a einen deutlich höheren Härteanstieg als der Stahl gemäß Figur 1b.

Die zur Entkohlung notwendige oxidierende Glühbehandlung der Proben aus Figur 1a und 1b wurde unter Umgebungsatmosphäre (Luft) durchgeführt bei einer Glühtemperatur von 1150°C und einer Glühdauer von 1h. Im vorliegenden Fall wurden die Proben nach der Glühbehandlung nicht abgeschreckt, sondern nur einer Kaltumformung zum Nachweis des TRIP-Effektes (Bildung von verformungsinduziertem Martensit) unterzogen.

Die Figuren 1c und 1d zeigen, dass abhängig vom Grad der Entkohlung ebenso Randbereiche mit lokaler Zwillingsbildung eingestellt werden können. Ebenso kann in Abhängigkeit vom Grad der Entkohlung eine Variation der Karbidbildung über die Blechdicke eingestellt werden.

Die zur Entkohlung notwendige oxidierende Glühbehandlung der Proben in Figur 1c und 1d fand während des Warmwalzens statt. Im Anschluss an das folgende Kaltwalzen wurde eine reduzierende Glühbehandlung mit unterschiedlichen Temperaturen (Figur 1c: 750°C - Randschicht 30μηι mit Zwillingen, Figur 1d: 700°C - Randschicht 60pm mit Zwillingen) durchgeführt.

Werkstücke aus Leichtbaustahl müssen zudem vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich der Verarbeitbarkeit beispielsweise durch Kaltumformen, Schweißen und/oder Korrosionsschutz (z. B. Zink enthaltende Überzüge) genügen. Beim Schweißen verzinkter austenitischer Leichtbaustähle kann es allerdings zu Problemen mit der sogenannten Flüssigmetallversprödung kommen. Hierbei kommt es in Folge der Erwärmung beim Schweißen im Grundmaterial zu einer Infiltration der Korngrenzen durch verflüssigtes Zinkmaterial des Überzugs. Dadurch verliert das Grundmaterial im Umfeld der Schweißzone seine Festigkeit und Duktilität, so dass die Schweißverbindung bzw. das an die Schweißverbindung angrenzende Grundmaterial die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften nicht mehr erfüllt, wodurch die Gefahr des vorzeitigen Versagens der Schweißverbindung steigt.

Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass sich beim Schweißen hochmanganhaltiger Stähle durch Ausbildung eines martensitischen bzw. martensitisch-austenitischen Mischgefüges in den entkohlten oberflächennahen Bereichen der Korngrenzenangriff durch das schmelzflüssige Zinkmaterial wirksam verhindern lässt. Die oberflächenharte entkohlte Randschicht eignet sich dabei hervorragend als Zwischenschicht, um die Flüssigmetallversprödung bei verzinkten

Leichtbaustählen wirksam zu vermeiden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist nicht nur für Flachprodukte, wie Warm- und Kaltband, sondern auch für Profile und Rohre sowie daraus hergestellte Bauteile anwendbar. Für die

Umformung kommen alle bekannten Verfahren der Kalt-, Warm- und Halbwarmformung in

Betracht, wie Biegen, Tiefziehen, Stauchen, Aufweiten etc. aber beispielsweise auch das bekannte Innenhochdruckumformen oder Pressformhärten. Demzufolge kann die Herstellung

erfindungsgemäßer Gradientenwerkstoffe beispielhaft über folgende Prozessrouten erfolgen:

• Kalt- oder Warmumformung eines Werkstücks, wie z. B. eines Blechzuschnitts, zu einem

Bauteil mit anschließendem oxidierenden Glühen des Bauteils und anschließender gezielter Abkühlung zum Härten der Oberfläche durch Umwandlung der entkohlten Bereiche zu

Martensit

• Innenhochdruckumformen eines Rohres bei angehobener Temperatur, die eine Entkohlung der Oberfläche zulässt, mit abschließender rascher Abkühlung (Härten)

• Innenhochdruckumformen eines Rohres bei Raumtemperatur mit abschließender oxidierender Glühung des bereits umgeformten Bauteils und abschließender rascher Abkühlung (Härten)

• Pressformhärten eines Werkstücks mit einer oxidierenden Glühung vor dem Umformen;

Umformen bei erhöhter Temperatur im austenitischen Gefügezustand und anschließender rascher Abkühlung zur martensitischen Umwandlung der oberflächennahen, entkohlten

Bereiche • oxidierendes Glühen zur Einstellung einer entkohlten Schicht, z. B. eines Bleches, mit anschließender gezielter Abkühlung (ohne Härtung) mit anschließender Kaltumformung

• oxidierendes Glühen zur Einstellung einer entkohlten Schicht, z. B. eines Bleches mit

anschließender gezielter Abkühlung (ohne Härtung) mit anschließendem Kaltwalzen zur gezielten Einstellung der Härteschichtdicke über die Bildung von Verformungsmartensit

• oxidierendes Glühen z. B. eines Bleches mit anschließender gezielter Abkühlung (Härtung) und direkter Anwendung ohne weitere umformtechnische Beanspruchung

• oxidierendes Glühen im Rahmen des Warmwalzprozesses zur Einstellung einer entkohlten Schicht mit anschließendem Kaltwalzen

• oxidierendes Glühen im Rahmen des Warmwalzprozesses zur Einstellung einer entkohlten Schicht mit anschließendem Kaltwalzen und Glühen unter oxidierender Atmosphäre zur weiteren Entkohlung

• oxidierendes Glühen im Rahmen des Warmwalzprozesses zur Einstellung einer entkohlten Schicht mit anschließendem Kaltwalzen und Glühen unter reduzierender oder inerter

Atmosphäre zur Verringerung bzw. Einstellung der Entkohlung durch Ausgleichsprozesse.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für alle bei Raumtemperatur austenitischen Legierungen geeignet, insbesondere aber für hochlegierte Leichtbaustähle.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet erstmals in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, den spezifischen Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften des fertigen Bauteils Rechnung zu tragen, indem diese über die Banddicke gezielt eingestellt werden können.

Zusammenfassend ergeben sich aus der Erfindung folgende Vorteile:

• Einstellung benötigter Werkstoffeigenschaften über die Wanddicke durch einfaches

entkohlendes Glühen mit anschließendem Härten oder mechanischer Umformung.

• Gezielt beeinflusst werden können:

Verschleiß/Abrieb/Tribologie

Zunderbeständigkeit

Korrosionsschutz

Beschichtbarkeit

Beklebbarkeit

elektrische Eigenschaften Schweißbarkeit (z. B. Widerstandspunktschweißbarkeit) thermische Eigenschaften (Bimetall)

optische Eigenschaften (Aussehen)

Dämpfung

Realisierung von Kombinationen unterschiedlicher Oberflächen- und Materialkerneigenschaften.