DE102015116619B4

DE102015116619B4 - Herstellung von Halbzeugen und Strukturbauteilen mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken

Info

Publication number: DE102015116619B4
Application number: DE102015116619.4A
Authority: DE
Inventors: Jens-Ulrik Becker; Stefan Myslowicki; Sascha Sikora
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2035-10-01
Also published as: DE102015116619A1; EP3356564A1; US10710132B2; CN108138251A; US20180272399A1; WO2017055083A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken,
- wobei ein mehrlagiger, metallischer Materialverbund (5) bereitgestellt wird, welcher mehrere Lagen (11, 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
- wobei der Materialverbund (5) eine Mittellage (12) aufweist, wobei auf einer ersten Seite der Mittellage (12) eine erste Außenlage (11) angeordnet ist und auf einer der erste Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite der Mittellage (12) eine zweite Außenlage (13) angeordnet ist,
- dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (11, 13) eine geringere Aufhärtbarkeit aufweist als die Mittellage (12).

Description

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.
Ein Verbundwerkstoff mit einer Kernlage aus monolithischem Stahlwerkstoff und zwei Decklagen aus duktilen, nichthärtbaren Stahlwerkstoff ist ferner aus der Druckschrift DE 10 2014 008 718 B3 bekannt. Nachteilig hieran ist jedoch, dass die Decklagen nicht härtbar sind.
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 gemäß Anspruch 1.
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 Duktilität 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.
Erfindungsgemäß 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 Beschichtung 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.
Erfindungsgemäß 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.
Figurenliste

Die 1 zeigt eine Vorrichtung zum flexiblen Walzen in einer schematischen Schnittdarstellung.
Die 2 zeigt einen mehrlagigen, metallischen Materialverbund in einer schematischen Schnittdarstellung.
Die 3 zeigt einen ersten Materialverbund in einer Schnittdarstellung.
Die 4 zeigt einen zweiten Materialverbund in einer Schnittdarstellung.
Die 5 zeigt den Verlauf des Kohlenstoffgehalts über den Querschnitt eines Materialverbunds.
Die 6 Fließkurven verschiedener Lagen eines Materialverbunds und eines Materialverbunds.
Die 7 zeigt einen mehrlagigen, metallischen Materialverbund nach dem Kaltwalzen in einer Schnittdarstellung.
Die 8 zeigt den Materialverbund aus 7 nach einer Warmumformung in einer Schnittdarstellung.
Die 9 zeigt die Zugfestigkeit und die Streckgrenze des Materialverbunds nach einer Warmumformung für verschiedenen Materialdicken.
Die 10 zeigt die Biegekraft, der Biegewinkel und die Energie des Materialverbunds nach einer Warmumformung für verschiedenen Materialdicken.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 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 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 11 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 11, 13 sind derart gewählt, dass sie aus einem identischen Stahlwerkstoff bestehen. Die Mittellage 12 ist aus einem von den Außenlagen 11, 13 verschiedenen Stahlwerkstoff ausgebildet. Die Stahlwerkstoffe der Mittellage 12 und der Außenlagen 11, 13 sind derart gewählt, dass die Außenlagen 11, 13 eine höhere Duktilität und eine geringere Verfestigung aufweist als die Mittellage 12. Zudem weisen die Außenlagen 11, 13 eine geringere Aufhärtbarkeit auf als die Mittellage 12.

Die 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 11, 13 des in der 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 11, 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 3 gezeigten Materialverbund 5.1 weisen die Außenlagen 11, 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 11, 13 ist jeweils eine Beschichtung 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-Beschichtungen.
Die 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 11, 13 sind aus dem Material B1 gebildet. Die Außenlagen 11, 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 11, 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 5 ist der Kohlenstoffgehalt eines Materialverbunds 5.3 dargestellt, welcher eine Mittellage 12 aus dem Material A2 aufweist und Außenlagen 11, 13 aus dem Material B1. Die Außenlagen 11, 13 weisen jeweils eine Dicke von ca. 10 % der Gesamtdicke des Materialverbunds 5.3 auf. Ferner ist der Kohlenstoffgehalt eines Materialverbunds 5.4 gezeigt, welcher eine Mittellage 12 aus dem Material A2 aufweist und Außenlagen 11, 13 aus dem Material B1. Die Außenlagen 11, 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 µm 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 11, 13 kontinuierlich abnimmt. In den Außenlagen 11, 13 erreicht der Kohlenstoffgehalt ein Minimum. Insofern ist der Kohlenstoffgehalt in den Außenlagen 11, 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 Stahlwerkstoffs 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 11, 13 eine Konzentration an Kohlenstoff auf, welche gegenüber dem zur Bildung der jeweiligen Außenlage 11, 13 verwendeten Material B1 erhöht sind.
Die 6 zeigt Fließkurven des für die Mittellage 11 verwendeten „härteren“ Materials A1 sowie der für die Außenlagen 11, 13 verwendeten „weicheren“ Materialien B1 und B2. Ferner sind Fließkurven des Materialverbunds 5.1 nach 3 und des Materialverbunds 5.2 nach 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 11, 13, insbesondere in einem Bereich des Umformgrads phi von 0 bis 0,1. Die Fließspannung kf des Materials B1, B2 der Außenlagen 11, 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 11 weist bei einem Umformgrad phi von 0,05 bis 0,15 eine Fließspannung kf größer als 500 MPa auf.
In der. 7 ist der Schichtaufbau eines durch flexibles Walzen bei Raumtemperatur mittels einer Vorrichtung 1 nach 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, 11, 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 8 zeigt einen entsprechenden Bereich des Materialverbunds 5 aus 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 11, 13. Aufgrund der Vermischung kommt es zu einer Homogenisierung der Werkstoffeigenschaften in Querschnittsrichtung des Materialverbunds 5.
Die 9 zeigt die Zugfestigkeit und die Streckgrenze für Bereiche mit verschiedenen Materialdicken. In der 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
11: Außenlage
12: Mittellage
13: Außenlage
14: Beschichtung
A1, A2: Material der Mittellage
B1, B2: Material der Außenlagen
G: Gerade

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit bereichsweise unterschiedlichen Materialdicken, - wobei ein mehrlagiger, metallischer Materialverbund (5) bereitgestellt wird, welcher mehrere Lagen (11, 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 - wobei der Materialverbund (5) eine Mittellage (12) aufweist, wobei auf einer ersten Seite der Mittellage (12) eine erste Außenlage (11) angeordnet ist und auf einer der erste Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite der Mittellage (12) eine zweite Außenlage (13) angeordnet ist, - dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (11, 13) eine geringere Aufhärtbarkeit aufweist als die Mittellage (12).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Materialverbund (5) bei Raumtemperatur gewalzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Materialverbund (5) bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur der Lagen (11, 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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer der Mittellage (12) gegenüberliegenden Seite der Außenlage (11, 13) eine Beschichtung (10, 14) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Materialverbund (5) einen bezüglich der Mittellage (12) symmetrischen Schichtaufbau aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenlagen (11, 13) eine höhere Duktilität aufweisen als die Mittellage (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (11, 13) des Materialverbunds (5) aus einem Kohlenstoff enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Kohlenstoffgehalt in den Außenlagen (11, 13) geringer ist als in der Mittellage (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (11, 13) des Materialverbunds (5) aus einem Mangan enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Mangangehalt in den Außenlagen (11, 13) geringer ist als in der Mittellage (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (11, 13) des Materialverbunds (5) aus einem Silizium enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Siliziumgehalt in den Außenlagen (11, 13) geringer oder gleich dem Siliziumgehalt in der Mittellage (12) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (11, 13) des Materialverbunds (5) aus einem Chrom enthaltenden Stahl ausgebildet sind, wobei der Chromgehalt in den Außenlagen (11, 13) geringer oder gleich dem Chromgehalt in der Mittellage (12) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittellage (12) und die Außenlagen (11, 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 (11, 13) geringer ist als die Summe des Kohlenstoffgehalts und des Mangangehalts und des Siliziumgehalts und des Chromgehalts in der Mittellage (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Außenlagen (11, 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).
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.