Fundamentals and prevention of zinc induced embrittlement in steel sheets during the direct press hardening process

Titel in Übersetzung: Grundlagen und Prävention von zinkinduzierter Versprödung in Stahlblechen während des direkten Presshärtens.

Melanie Tomasch

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Das direkte Presshärten von niedriglegierten Stahlblechen ist ein effizientes Verfahren zur Fertigung hochfester, im Falle eines Aufpralls für die Fahrzeuginsaßen sicherheitsrelevanter Automobilkomponenten. Das direkte Presshärteverfahren vereint die Vorteile einer guten Umformbarkeit bei erhöhten Temperaturen mit einer hohen Festigkeit und guten Formgenauigkeit nach dem Abschrecken im geschlossenen Werkzeug. Um den Korrosionsschutz der Komponenten während des Betriebs zu gewährleisten, wird die gesamte Bandoberfläche in einem kontinuierlichen Feuerverzinkungsverfahren und einer nachfolgenden Wärmebehandlung bereits vor dem Presshärten beschichtet. Dies gewährleistet einerseits eine gleichmäßige Schichtdicke, führt aber andererseits dazu, dass die Beschichtung dem Austenitisierungs-, Umform- und Abschreckzyklus des nachfolgenden Presshärteprozesses standhalten muss. Zink hat im Vergleich zu Stahl einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine unterschiedliche metallografische Struktur. Dies führt zu Unterschieden im Umformungs-, Expansions- und Schrumpfverhalten beim Erwärmen, Umformen und Abschrecken und kann folglich zu erheblichen Spannungen und Dehnungen im schichtnahen Bereich führen. Darüber hinaus können abhängig von der gegenwärtigen Temperatur und dem lokalen Eisen-Zink-Gehalt bestimmte Mengen nicht erstarrter Zinkphasen entweder in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand während des Umformens in der Schicht vorhanden sein. Diese Phasen sind aufgrund ihrer versprödenden Wirkung für das Wachstum von Schichtrissen in die Stahloberfläche während des Presshärtens verantwortlich. Je nach Phase des versprödenden Zinks werden diese Phänomene als Liquid Metal Embrittlement (LME) sowie Vapor Metal Embrittlement (VME) bezeichnet. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Auswirkungen von dampfförmigem Zink, da die ausgewählten Prozesstemperaturen und die Schichtzusammensetzung das Auftreten signifikanter Mengen an flüssigem Zink verhindern. Um die Mechanismen der Rissbildung im Detail zu untersuchen, wurden in einem ersten Schritt Presshärteexperimente durchgeführt. Anschließend wurden metallographische Untersuchungen der vorhandenen Risse sowie des Metallgefüges der pressgehärteten Proben mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt. Danach wurde ein thermomechanisch gekoppeltes numerisches Modell der durchgeführten Experimente mit Hilfe der Simulationssoftware ABAQUS® erstellt. Genaue Vorhersagen zum Bauteilverhalten und den vorherrschenden Bedingungen während des Presshärtens sowie zu den Betriebseigenschaften des fertigen Bauteils erfordern die Kenntnis der temperaturabhängigen thermischen und mechanischen Materialeigenschaften sowie der auftretenden Wechselwirkungen zwischen Blech und Werkzeug. Da die hohe Festigkeit des fertigen Bauteils durch eine Martensit-Phasenumwandlung beim Abschrecken im Werkzeug erreicht wird, wurde auch deren Auswirkung auf das Material in der Simulation berücksichtigt. Dies wird mittels mehrerer User Subroutines erreicht. Die erforderlichen Eingabedaten für das numerische Modell wurden experimentell ermittelt. Somit ermöglicht das numerische Modell eine detaillierte Analyse des Umformens und Abschreckens im Werkzeug während des gesamten Prozesses. Die Wanddickenverteilung sowie die Flanschbreite der Bauteile und die Pressenkräfte beim Umformen wurden herangezogen, um die Ergebnisse der Simulation mit den Umformversuchen zu vergleichen und das verwendete Materialmodell zu validieren. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnten die Mechanismen und Faktoren analysiert werden, welche das Risswachstum beeinflussen. Unter Verwendung der ermittelten Daten wurde eine Postprocessing Routine entwickelt, die mittels eines physikalisch basierten Schädigungsindikators das Auftreten von Rissen, welche während des direkten Presshärtens durch Zink in der Gasphases induziert wurden, vorhersagen kann.
Titel in ÜbersetzungGrundlagen und Prävention von zinkinduzierter Versprödung in Stahlblechen während des direkten Presshärtens.
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Ghiotti, Andrea, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Antretter, Thomas, Betreuer (intern)
  • Schnitzer, Ronald, Beurteiler A (intern)
  • Clemens, Helmut, Mitbetreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 21-12-2025

Schlagwörter

  • direktes Presshärten
  • Zinkbeschichtung
  • zinkinduzierte Versprödung
  • Mikrorisse
  • Martensit Phasenumwandlung
  • Prozesssimulation
  • Schädigungsindikator

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