DE102004023579B4

DE102004023579B4 - Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fügeteils aus hochfestem Stahl

Info

Publication number: DE102004023579B4
Application number: DE200410023579
Authority: DE
Inventors: Olaf Kreis
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: DE102004023579A1

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fügeteils aus hochfestem Stahl, wobei in wenigstens einem Teilbereich (5) des Fügeteils (1) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, durch welche eine Erweichung des hochfesten Stahls bewirkt wird, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen regelmäßige Anordnung von Teilbereichen.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Bearbeitung und Verbindung von Fügeteilen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fügeteils aus hochfestem Stahl, sowie ein ein solches Wärmebehandlungsverfahren umfassendes Fügeverfahren.
Als Festigkeit von Stählen wird generell der Widerstand angesehen, den ein Stahl dem Einwirken einer äußeren Kraft entgegensetzt, ohne dass der Stahl bricht. Zur Charakterisierung der Festigkeit eines Stahls genügt in den meisten Fällen die Angabe der Zugfestigkeit. Speziell führen lang andauernde Beanspruchungen oder solche bei höheren Temperaturen schon früher zum Bruch, wobei das Verhalten des Werkstoffs unter diesen Umständen durch die Zeitstandfestigkeit und die Dauerschwingfestigkeit ausgedrückt wird.
Stand der Technik
Zum Zwecke des Härtens wird an Stählen im Allgemeinen eine Wärmebehandlung durchgeführt, die zur Martensitbildung des Gefüges führt. Bei einer solchen Wärmebehandlung wird der Stahl zunächst auf Härtetemperatur erwärmt und anschließend schnell abgekühlt. Der Werkstoff muss 0,5 bis 0,8% Kohlenstoff haben, damit er gehärtet werden kann. Liegt der Gehalt an Kohlenstoff niedriger, so muss vor dem Härten aufgekohlt werden.
Als spezielle Härteverfahren werden die Umwandlungshärtung, die Ausscheidungshärtung und (ohne Wärmebehandlung) die Kalthärtung unterschieden. Die Umwandlungshärtung ist hierbei nur bei Werkstoffen möglich, die beim Abkühlen die γ-α-Umwandlung (Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) durchmachen und ist somit nicht für austenitische oder ferritische Stähle anwendbar. Voraussetzung für eine Härtesteigerung ist die Anwesenheit von Kohlenstoff, der im Gamma-Eisen gelöst ist, jedoch bei schneller Umwandlung nicht mehr ausdiffundieren kann und das Ferritgitter verspannt. Die Ausscheidungshärtung benutzt das temperaturabhängige Lösungsvermögen des Eisengitters für gewisse Fremdatome. Gesättigte Mischkristalle werden abgeschreckt und scheiden bei Raumtemperatur überschüssige Fremdatome, die nicht mehr gelöst werden können, aus. Diese verspannen das Gitter und führen so zu einer Festigkeitssteigerung. Die Kalthärtung schließlich, ist eine Begleiterscheinung der Kaltumformung. Sie entsteht durch die Gleitvorgänge im Gefüge und durch die Verformung und Verspannung der Kristallite.
Beim Härten entstehen gewöhnlich Spannungen, welche durch Anlassen des Stahls (Erwärmen des Stahls auf eine Temperatur unterhalb des ersten Umwandlungspunkts A_c1) abgebaut werden können.
Als hochfester Stahl wird im Allgmeinen ein Stahl bezeichnet, welcher bei Raumtemperatur eine Mindeststreckgrenze von 355 N/mm aufweist. Diese Stähle zeigen ein feinkörniges Gefüge mit Ferritkorngrößen 6. Höchstfeste Stähle kombinieren eine hohe Zugfestigkeit mit hohen Streckgrenzwerten von mindestens 1.200 N/mm.
Hochfeste Stähle sind ein interessanter Werkstoff für die industrielle Serienfertigung. Beispielsweise besteht in der Automobilindustrie der Wunsch nach einem Einsatz hochfester Stähle im Karosseriebau, da hierdurch einerseits eine Blechdickenverminderung, d. h. Gewichtsminderung, und andererseits eine höhere Festigkeit der Bauteile ermöglicht wird. In der industriellen Serienfertigung tritt hierbei jedoch das Problem auf, dass Fügeteile aus hochfesten Stählen nur schwierig zu fügen sind und deshalb nur sehr eingeschränkt bzw. nur unter hohem technischen Aufwand in eingerichteten Fertigungsprozessen bzw. Prozesslinien verarbeitet werden können.
So gibt es bislang keine für die industrielle Serienfertigung geeignete wirtschaftliche Schweißverfahren, mit denen eine hohe Festigkeit der Schweißverbindung bei hochfesten Stählen erreicht werden kann. Auch können selbstschneidende Befestigungsmittel nicht eingesetzt werden, da diese nicht in der Lage sind, in hochfesten Stahl einzudringen.
Aus der DD 300 306 ist ein Verfahren zur partiellen Wärmebehandlung von mechanischen Kleinteilen bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein einzelnes Teilstück eines metallischen Kleinteils auf 800 bis 850°C erhitzt und anschließend langsam abgekühlt, wodurch eine Härtereduzierung erreicht wird.
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Fügeverfahren für Fügeteile aus hochfesten Stählen zu ermöglichen, so dass Fügeteile aus hochfesten Stählen in einfacher und kostengünstiger Weise in der industriellen Serienfertigung unter Anwendung herkömmlicher Fügeverfahren gefügt werden können.
Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fügeteils aus hochfestem Stahl gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass in wenigstens einem Teilbereich des Fügeteils eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, durch welches der hochfeste Stahl erweicht wird. Bei einer solchen Wärmebehandlung wird im Allgemeinen eine Gefügeänderung des hochfesten Stahls hin zu einem weicheren Gefüge bewirkt, wie etwa eine Gefügeänderung von einem Martensitgefüge zu einem weicheren Austenitgefüge. Als Wärmebehandlung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird hierbei ein Vorgang verstanden, bei dem ein Fügeteil aus hochfestem Stahl erwärmt wird, mit dem Ziel, ein definierte Eigenschaft, nämlich eine Erweichung des hochfesten Stahls, bzw. ein diesem erweichten Zustand zugrunde liegendes Gefüge einzustellen. Der hochfeste Stahl wird an den wärmebehandelten Stellen erfindungsgemäß derart erweicht, dass herkömmliche Fügeverfahren der industriellen Serienfertigung, wie Schweißverfahren oder selbstschneidende Befestigungsmittel, zum Fügen des Fügeteils eingesetzt werden können. Der hochfeste Stahl wird dabei an den wärmebehandelten Stellen im Allgemeinen in einen normalfesten oder niedrigfesten Stahl umgewandelt. Das wärmebehandelte Fügteil weist somit keine einheitliche Gefügestruktur mehr auf. Als hochfester Stahl kommt erfindungsgemäß ein legierter bzw. unlegierter Stahl in Frage.
Erfindungsgemäß wird dabei eine Mehrzahl von Teilbereichen in dem Fügeteil aus einem hochfesten Stahl wärmebehandelt. Die Teilbereiche sind hierbei regelmäßig angeordnet.
Die Wärmebehandlung zur Erweichung des hochfesten Stahls wird typischerweise so durchgeführt, dass das Fügeteil aus hochfestem Stahl bei der Wärmebehandlung auf eine gewählte Wärmebehandlungstemperatur gebracht und für einen gewählten Wärmebehandlungszeitraum auf dieser Wärmebehandlungstemperatur gehalten wird, wobei es anschließend abkühlen darf.
Das Fügeteil aus hochfestem Stahl kann zum Zwecke der Wärmebehandlung geglüht werden, wobei als Glühverfahren insbesondere das Weichglühen, speziell in Form des ”GKZ-Weichglühens”, bei welchem auch Zementitteilchen kugelig eingeformt werden, eingesetzt wird. Gleichermaßen ist es möglich, dass das Fügeteil aus hochfestem Stahl getempert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren liegt die Temperatur der Wärmebehandlung vorteilhaft oberhalb des unteren Umwandlungspunkts A_c1. Hierbei wird der hochfeste Stahl gewöhnlich austenitisiert, d. h. das Gefüge wird teilweise oder vollständig in Austensit umgewandelt. Die Austenitkorngröße ist hierbei im Allgmeinen durch den Stahl bestimmt.
Gleichermaßen kann es erfindungsgemäß von Vorteil sein, wenn die Temperatur der Wärmebehandlung oberhalb des oberen Umwandlungspunkts A_c3 liegt, bei welcher ebenfalls eine Gefügeänderung auftritt.
Die Temperaturen bei der Wärmebehandlung, insbesondere in den beiden oben genannten Fällen, in absoluten Werten ausgedrückt, liegen vorteilhaft in einem Bereich zwischen 700°C und 1100°C.
Die hier genannten unteren und oberen Umwandlungspunkte A_c1 und A_c3 beziehen sich auf das übliche Eisen-Kohlenstoffdiagramm, wobei der Index ”c”, wie üblich, für ”chauffage” steht, und die Umwandlungspunkte für den Fall einer Erwärmung angeben. Das Eisen-Kohlenstoffdiagramm und die daraus hervorgehenden Umwandlungspunkte sind dem Fachmann bekannt, so dass hier hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines hochfesten Stahls sind die einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Teilbereiche im Wesentlichen kreisscheibenförmig, insbesondere punktförmig, ausgebildet.
Zur Wärmebehandlung kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein herkömmliches Wärmebehandlungsmittel, wie eine Laserquelle, einer Flammenquelle, insbesondere eine Gasflammenquelle, oder eine elektrische Induktionsheizung eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Fügen von Fügeteilen, wobei wenigstens eines der Fügeteile aus einem hochfesten Stahl besteht, wobei in diesem Fügeverfahren zunächst ein wie oben dargestelltes Wärmebehandlungsverfahren an dem Fügeteil aus hochfestem Stahl durchgeführt und die Fügeteile anschließend, d. h. nach der Durchführung des Wärmebehandlungsverfahrens, an dem wenigstens einen wärmebehandelten Teilbereich gefügt werden.
Sollen beispielsweise zwei Fügeteile aus hochfestem Stahl gefügt werden, so wird an jedem Fügeteil wenigstens ein Teilbereich mittels des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens wärmebehandelt, wobei die wärmebehandelten Teilbereiche in Fügestellung der beiden Fügeteile einander gegenüberliegen sollen. Ist nur eines der Fügeteile aus hochfestem Stahl gefertigt, so genügt es, wenn lediglich dieses Fügeteil einem erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wird.
Zum Fügen der Fügeteile an den wärmebehandelten Stellen wird vorteilhaft ein herkömmliches Schweißverfahren der industriellen Serienfertigung eingesetzt. Hierbei kommt insbesondere das Widerstandsschweißen in Betracht, bei welchem die Metallverbindung durch Erwärmen der Berührungsfläche der Fügeteile mit Hilfe des elektrischen Stroms (Ohmscher Widerstand) und durch anschließendes Zusammendrücken erfolgt. Das Widerstandsschweißen liefert eine hohe Güte und ist für die industrielle Massenfertigung bestens geeignet. Die Widerstandsschweißung wird hierbei meist in Form der Punkt- oder Buckelschweißung durchgeführt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann gleichermaßen vorteilhaft ein selbstschneidendes Befestigungsverfahren zum Fügen der Fügeteile eingesetzt werden. Hierbei kann es sich etwa um eine selbstschneidende Befestigungsschraube handeln, die sich in wenigstens eines der zu fügenden Fügeteile an der wärmebehandelten Stelle einschneidet. Ein solches Verfahren ist beispielsweise unter der Bezeichnung ”Flow-Drill-Verfahren” bekannt. Im letztgenannten Fall sind die wärmebehandelten Teilbereiche vorteilhaft kreisscheibenförmig, wobei die Kreisscheiben einen Durchmesser im Bereich von ca. 10–15 mm haben. Bei dem Einsatz eines selbstschneidenden Befestigungsverfahrens können in äußerst vorteilhafter Weise stählerne und nicht-stählerne Fügeteile miteinander verbunden werden.
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren wird vorteilhaft im Automobilbau, insbesondere im Karosserieanbau, verwendet.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels für das erfindungsgemäße Wärmebehandlungsverfahren näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Aufbaus zur Wärmebehandlung eines Fügeteils aus hochfestem Stahl;
2 eine Draufsicht auf das Fügeteil von 1.
In 1 ist schematisch der Aufbau zur Wärmebehandlung eines Fügeteils aus hochfestem Stahl im Schnitt gezeigt. Bei dem in 1 gezeigten Aufbau ist ein Fügteil aus hochfestem Stahl 1 auf einem Tisch 2 mittels Teilaufnahmen 3 aufgenommen. Benachbart zu dem Fügeteil 1 ist eine Mehrzahl (fünf) von Wärmequellen 4 zur punktweisen Wärmebehandlung des Fügeteils positioniert. Bei den Wärmequellen handelt es sich beispielsweise um Laser, Gasflammen oder Elektroden zur Induktionsheizung.
Wie 2, einer Draufsicht auf das Fügeteil 1, in welcher zudem die Wärmequellen 4 schematisch angedeutet sind, zu entnehmen ist, sind durch die Wärmequellen 4 eine Vielzahl von wärmebehandelten Punkten 5, in welchen das hochfeste Gefüge des Stahls in ein nicht-hochfestes, d. h. normalfestes oder niedrigfestes, Gefüge geändert wurde, erzeugt worden. Das Fügeteil 1 aus hochfestem Stahl kann nunmehr an den wärmebehandelten Punkten 5 gefügt werden, wozu beispielsweise Widerstandsschweißen oder ein selbstschneidendes Befestigungsmittel eingesetzt wird. Bezugszeichenliste 1 Fügeteil 2 Tisch 3 Teilaufnahmen 4 Wärmequellen 5 wärmebehandelte Stellen

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Fügeteils aus hochfestem Stahl, wobei in wenigstens einem Teilbereich (5) des Fügeteils (1) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, durch welche eine Erweichung des hochfesten Stahls bewirkt wird, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen regelmäßige Anordnung von Teilbereichen.
Behandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wärmebehandlung eine Gefügeänderung des hochfesten Stahls bewirkt wird.
Behandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil bei der Wärmebehandlung auf eine gewählte Wärmebehandlungstemperatur gebracht und für einen gewählten Wärmebehandlungszeitraum auf dieser Wärmebehandlungstemperatur gehalten wird.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Teilbereich des Fügeteils geglüht, insbesondere weichgeglüht, wird.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Teilbereich des Fügeteils getempert wird.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Wärmebehandlung oberhalb des unteren Umwandlungspunkts Ac1 liegt.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Wärmebehandlung oberhalb des oberen Umwandlungspunkts Ac3 liegt.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Wärmebehandlung in einem Bereich zwischen 700°C und 1100°C liegt.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmebehandlung eine Austenitisierung des hochfesten Stahls bewirkt wird.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Teilbereich im Wesentlichen kreisscheibenförmig ist.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Teilbereich im Wesentlichen punktförmig ist.
Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlung mittels eines oder mehrerer Wärmebehandlungsmittel, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Laserquelle, einer Flammenquelle, insbesondere einer Gasflammenquelle, und einer elektrischen Induktionsheizung, durchgeführt wird.
Verfahren zum Fügen von Fügeteilen, wobei wenigstens eines der Fügeteile aus einem hochfesten Stahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Behandlungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 umfasst, wobei die Fügeteile nach der Durchführung des Behandlungsverfahrens an dem wenigstens einen wärmebehandelten Teilbereich gefügt werden.
Fügeverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile durch ein selbstschneidendes Befestigungsmittel, insbesondere eine selbstschneidene Schraube, gefügt werden.
Fügeverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Teilbereich im Wesentlichen kreisscheibenförmig ist, welche Kreisscheiben einen Durchmesser im Bereich von ca. 10–15 mm aufweisen.
Fügeverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile durch ein Schweißverfahren gefügt werden.
Verwendung des Fügeverfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 16 im Automobilbau, insbesondere bei der Befestigung von Karosserieanbauteilen.