DE102008021492B3

DE102008021492B3 - Verfahren zum Nacherwärmen von gehärteten Bauteilen

Info

Publication number: DE102008021492B3
Application number: DE102008021492A
Authority: DE
Inventors: Christian Handing
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: US20100101296A1; US8056383B2

Abstract

Ein an sich bekanntes Verfahren zum Herstellen vonie Bauteile in definierten Bereichen eine höhere Duktilität aufweisen als in anderen Bereichen, enthält die Verfahrensschritte Erwärmen der in der Regel vorgeformten Bauteile auf Gestellen (1) in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur über den AC3 Punkt der Legierung, Formen und Härten der Bauteile in einem anschließenden Warmform- und Presshärtungsprozess, Entnehmen der Bauteile aus der Presse und gezieltes Nacherwärmen von definierten Bereichen der Bauteile, um die Duktilität in diesen Bereichen zu erhöhen. Erfindungsgemäß werden die Bauteile nach der Entnahme aus der Presse auf die noch warmen Gestelle (1) erneut aufgelegt und die Restwärme der Gestelle (1) wird dazu genutzt, die gehärteten Bauteile in den definierten Bereichen gezielt nachzuerwärmen.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus härtbarem Stahl, wobei die Bauteile in definierten Bereichen eine höhere Duktilität aufweisen als in anderen Bereichen, mit den Verfahrensschritten Erwärmen der Bauteile auf Gestellen in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur über den AC₃ Punkt der Legierung, Formen und Härten der Bauteile in einem anschließenden Warmform- und Presshärtungsprozess, Entnehmen der Bauteile aus der Presse und gezieltes Nacherwärmen von definierten Bereichen der Bauteile, um die Duktilität in diesen Bereichen zu erhöhen.
Im Fahrzeugbau werden mehr und mehr Fahrzeugbauteile aus festem und hochfestem Stahl eingesetzt, um den Leichtbaukriterien bei steigenden Anforderungen an die Materialkennwerte gerecht zu werden. Dies gilt auch für den Karosseriebau, wo beispielsweise Struktur- und/oder Sicherheitsteile wie Türaufprallträger, A- und B-Säulen, Stoßfänger oder Längs- und Querträger immer öfter zur Erreichung der Gewichtsziele und der Sicherheitsanforderungen aus einem warmgeformten und pressgehärteten festen oder höchstfesten Stahl hergestellt werden. Aus der DE 24 52 486 C2 ist dabei ein Verfahren zum Pressformen und Härten eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit bekannt, bei dem ein Blech aus einem borlegierten Stahl auf eine Temperatur über AC₃ erwärmt und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formveränderung gepresst wird und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen wird, dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird (direktes Warmformen). Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, das sich hervorragend für Struktur- und Sicherheitsteile im Fahrzeugbau eignet. Über den Offenbarungsgehalt der DE 24 52 486 C2 hinausgehend gehört es im Warmformen auch zum Stand der Technik, eine Platine aus einem borlegierten Stahl zunächst im ungehärteten Zustand kalt vorzuformen, dann das vorgeformte Bauteil auf eine Temperatur über AC₃ zu erwärmen und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen zu pressen und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so zu unterziehen, dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird (indirektes Warmformen). Dabei können die Vorformgrade bis zu 100% der Endform erreichen, so dass im Warmformwerkzeug in erster Linie das Bauteil in die Endform auf Maß kalibriert wird. Sowohl der direkte als auch der indirekte Prozess sind nachfolgend mit Warmformen und Presshärten gemeint.
Aus der DE 197 43 802 C2 ist es bekannt, zur Herstellung eines metallischen Formbauteils für Kraftfahrzeugkomponenten, welches Bereiche mit einer höheren Duktilität aufweist, eine Platine aus härtbarem Stahl bereitzustellen, diese Platine zunächst auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen zu erwärmen, die Platine anschließend in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umzuformen und dann das Formbauteil noch im Pressenwerkzeug zu vergüten, um anschließend partielle Bereiche des Formbauteils in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C zu bringen. Auf diese Weise sollen in der Platine Bereiche mit höherer Duktilität eingestellt werden. Bei Temperaturen zwischen 600°C und 900°C findet in der Stahlsorte eine umfangreiche Gefügeumwandlung statt, was bedeutet, dass die mechanischen Werte wieder in Richtung ungehärteter Stahl revidiert werden. In den duktilen Bereichen ist der Stahl daher nicht mehr hochfest. Die DE 197 43 802 C2 schlägt vor, die partielle Wärmebehandlung am auf einer Fördereinrichtung fixierten Formbauteil mittels induktiver Erwärmung vorzunehmen.

Die DE 10 2005 054 847 B3 beschreibt ein warmgeformtes- und pressgehärtetes Strukturbauteil, das nach dem Warmform- und Presshärtungsprozess bei 320 bis 400 Grad Celsius wärmebehandelt worden ist. Durch diese Wärmebehandlung werden die hochfesten Eigenschaften des Bauteils gezielt beeinflusst. Die Streckgrenze R_p0,2 und die Dehnung A₅ bleiben nahezu unverändert. Lediglich die Zugfestigkeitswerte Rm werden um 100 bis 200 N/mm² reduziert. Bei einer Stahlsorte, die sich in Gewichtsprozent aus

Kohlenstoff (C)	0,18% bis 0,3%
Silizium (Si)	0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn)	1,0% bis 2,5%
Phosphor (P)	maximal 0,025%
Chrom (Cr)	bis 0,8%
Molybdän (Mo)	bis 0,5%
Schwefel (S)	maximal 0,01%
Titan (Ti)	0,02% bis 0,05%
Bor (B)	0,002% bis 0,005%
Aluminium (Al)	0,01% bis 0,06%

Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen zusammensetzt, stellen sich nach der Wärmebehandlung bei 320 bis 400°C eine Zugfestigkeit Rm von 1200 bis 1400 N/mm², eine Streckgrenze R_p0,2 von 950 bis 1250 N/mm² und eine Dehnung A₅ von 6–12% ein. Der Werkstoff verfügt nach wie vor über die notwendigen hochfesten mechanischen Eigenschaften, durch die etwas geringere Zugfestigkeit Rm ist der Werkstoff aber so duktil, dass er bei entsprechender Belastung Falten wirft, anstatt zu brechen oder zu reißen.
Die DE 197 23 655 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlblechproduktes durch Heizen eines zugeschnittenen Blechs, Warmverformen des Stahlblechs in einem Werkzeugpaar und Härten des gebildeten Produkts durch schnelles Abkühlen von der austenitischen Temperatur, während es weiterhin in dem Werkzeugpaar ist, und dann die Bearbeitung des Produkts, wobei in dem Produkt ungehärtete Bereiche verbleiben und die Bearbeitung in solch ungehärteten Bereichen ausgeführt wird. Dabei zeigt die DE 197 23 655 A1 unter anderem die Alternative auf, dass das gesamte Produkt in den Werkzeugen gehärtet wird und dann in einem separaten Prozess die Bereiche getempert werden, in denen die Bearbeitung ausgeführt wird. In solch einem Fall kann die Temperung in direkter Verbindung mit dem Bearbeitungsvorgang durch Verwendung einer Maschine, wie beispielsweise einer Stanze ausgeführt werden, die eine Heizvorrichtung wie beispielsweise ein eingebautes Induktionselement aufweist.
Aus der DE 102 56 621 B3 ist es bekannt, zur Erwärmung eines Halbzeugs, welches einen anschließenden Warmform- und Presshärtungsprozess durchläuft, einen erfindungsgemäß in Längsrichtung geteilten Durchlaufofen vorzusehen. Diesen Durch laufofen passieren kalt vorgeformte Bauteile auf einem Warenträger oder Gestell. Die Verwendung von Durchlauföfen zum Erwärmen von Bauteilen auf eine Temperatur über den AC₃ Punkt der Legierung ist in der derzeitigen Herstellung von warmgeformten und pressgehärteten Fahrzeugbauteilen Standard.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der Erfindung, eine weitere Möglichkeit zum gezielten Nacherwärmen von gehärteten Bauteilen aufzuzeigen, die insbesondere gut für eine Massenproduktion geeignet ist.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit einem Verfahren nach Anspruch 1. Die Erfindung schlägt vor, bei einem aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 an sich bekannten Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus härtbarem Stahl, wobei die Bauteile in definierten Bereichen eine höhere Duktilität aufweisen als in anderen Bereichen, mit den Verfahrensschritten

– Erwärmen der Bauteile auf Gestellen in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur über den AC₃ Punkt der Legierung,
– Formen und Härten der Bauteile in einem anschließenden Warmform- und Presshärtungsprozess,
– Entnehmen der Bauteile aus der Presse
– und gezieltes Nacherwärmen von definierten Bereichen der Bauteile, um die Duktilität in diesen Bereichen wieder zu erhöhen, den letztgenannten Verfahrensschritt auszuführen durch:
– Erneutes Auflegen auf die noch warmen Gestelle nach der Entnahme aus der Presse
– Nutzen der Restwärme der Gestelle, um die gehärteten Bauteile in den definierten Bereichen gezielt nach zu erwärmen.

Hintergrund der erfindungsgemäßen Lösung ist der Gedanke, dass die Gestelle zum Erwärmen von bereits vorgeformten Bauteilen ohnehin für den Ofendurchlauf eingesetzt werden müssen. Flache Platinen, die in einem Zug im Warmformwerkzeug umgeformt und gehärtet werden, können über einen Rollentransport den Ofen durchlaufen. Vorgeformte, insbesondere bereits gebogene Bauteile würden sich dabei jedoch verhaken, deswegen werden diese Bauteile für eine Erwärmung in einem Durchlaufofen grundsätzlich auf Gestelle aufgelegt und mit dem Gestell zusammen beim O fendurchlauf erwärmt. Dabei ist die Erwärmung des Gestells ein unvermeidbarer Bestandteil des Prozesses. Nach dem Ofendurchlauf mit aufgelegtem Bauteil sind die Gestelle auf eine Temperatur von etwa 900°C erwärmt. Nach der Entnahme des Bauteils vom Gestell wird bisher beispielsweise das erwärmte Gestell leer über einen kontinuierlichen Rollenprozess durch einen nicht beheizten Ofenabschnitt wieder zurückgefahren. Während des Rücklaufs fällt die Temperatur des Gestells auf etwa 400° bis 600°C. Diese Wärmekapazität wird nun erfindungsgemäß dazu genutzt, um die gehärteten Bauteile in definierten Bereichen gezielt nach zu erwärmen.
Die Bauteile verlassen den Ofen in Richtung Presse mit einer Bauteiltemperatur über dem AC₃ Punkt der Legierung. Bei der eingangs im Stand der Technik erwähnten Stahlsorte der DE 10 2005 054 847 B3 beträgt die Temperatur der Bauteile bei einer Entnahme aus dem Ofen etwa 930°C. Im Warmformwerkzeug fällt die Temperatur durch den Kontakt mit dem in der Regel zwangsgekühlten Werkzeug dann schlagartig ab. Die Bauteile haben in der Regel bei der Entnahme aus dem Werkzeug eine Restwärmetemperatur von 100° bis 200°C. Bei diesen Temperaturen in Kombination mit einer vorangegangenen ausreichenden Haltezeit ist die Gefügeumwandlung und damit die Härtung abgeschlossen. Werden die gehärteten Bauteile nun in definierten Bereichen auf die nach dem Ofendurchlauf in etwa 900°C warmen Gestelle erneut aufgelegt, reicht die Restwärme der Gestelle in den Kontaktbereichen mit dem Bauteil für einen Effekt auf das eingestellte Gefüge aus.
Der Effekt kann durch ein Anlassen herbeigeführt werden. Anlassen dient dazu, das Formänderungsvermögen (die Duktilität) gehärteter Bauteile zu erhöhen und das Rissrisiko zu vermindern. Unter Anlassen ist nachfolgend ein Erwärmen auf Temperaturen zwischen 300° und 900°C und Halten auf dieser Temperatur mit nachfolgendem zweckentsprechendem Abkühlen zu verstehen. Beispielsweise soll das Anlassen zu einem Entspannen oder etwas geänderten Verhalten des eingestellten hochfesten Gefüges durch eine relativ geringe Festigkeits- und Härteherabsetzung führen. Bei der eingangs im Stand der Technik erwähnten Stahlsorte der DE 10 2005 054 847 B3 werden die hochfesten Eigenschaften des Bauteils gezielt durch eine Wärmebehandlung bei 320 bis 400 Grad Celsius beeinflusst. Die Streckgrenze R_p0,2 und die Dehnung A₅ bleiben nahezu unverändert. Lediglich die Zugfestigkeitswerte Rm werden um 100 bis 200 N/mm² reduziert. Der Werkstoff verfügt nach wie vor ü ber die notwendigen hochfesten mechanischen Eigenschaften, durch die etwas geringere Zugfestigkeit Rm hat der Werkstoff aber noch so viel Formänderungsvermögen, dass er sich bei einer entsprechenden Belastung duktil verformt ohne zu brechen oder zu reißen.
Ein gezieltes Nacherwärmen ist insbesondere auch in den Bereichen sinnvoll, in denen das Bauteil nach dem Härten mechanisch bearbeitet werden soll. Beispielsweise werden Löcher eingebracht oder falls erforderlich auf das zulässige Toleranzmaß beschnitten. Schon eine geringfügige Senkung der Härtewerte hilft bei einer späteren Nachbearbeitung. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn sich die durch das Warmformen und Presshärten entstandenen Martensit- und Bainitanteile im Stahlgefüge zumindest teilweise wieder in Ferrit und Perlit umwandeln. Der Wärmeeintrag wird in diesem Fall hoch genug und lang genug eingebracht, um zu einer Gefügeumwandlung in Richtung Ausgangsgefüge vor dem Härten zu führen.
Entscheidend ist, dass die definierten Bereiche einen guten und ebenfalls definierten Kontakt mit den Gestellen aufweisen, damit die Wärme in den gewünschten Bereich in der benötigten Menge übertragen wird und nicht in Bereiche abstrahlt, in denen die durch das Härten eingestellten Werte nicht verändert werden sollen. Dementsprechend wird die Auflagefläche des Bauteils am Gestell auf den Nacherwärmungsprozess eingestellt. Zudem kann über die Temperatur des Gestells, die Gestellmasse, die Legierungszusammensetzung des Gestells und die Verweildauer des bereits gehärteten Bauteils auf dem Gestell der Wärmeeintrag in das Bauteil gesteuert werden. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Temperaturbereich der Gestelle beim Rücktransport zwischen 300 und 930°C erwiesen und eine Dauer des Rücklaufs von 2 bis 6 Minuten. Die Temperatur des Gestells kann beispielsweise durch ein Anblasen, eine Sprühkühlung, oder eine zusätzliche Verweildauer außerhalb des Ofens abgesenkt werden. Um eine Abweichung der Bauteilgeometrie des vorgeformten Bauteils von der Geometrie des nach dem Warmformen und Presshärten endgeformten Bauteils auszugleichen, werden die Gestelle beispielsweise so gestaltet, dass sie von Robotern zur erneuten Aufnahme der endgeformten Bauteile entsprechend geschaltet werden können.
Um einen kontinuierlichen Fertigungsprozess zu gewährleisten, müssen die Gestelle sich in einem Kreislauf vom Ofeneingang zum Ofenausgang und zurück bewegen. Das kann dazu führen, dass beim Umsetzen des erfindungsgemäßen Gedankens die Bauteilzuführung von kalten Bauteilen in den Ofen und die Entnahme der auf den Gestellen nach erwärmten gehärteten Bauteile an fast der gleichen Stelle stattfindet, was den Platz für die Handhabung der Bauteile an dieser Stelle verringert. Diesem Problem kann aber mit einer etwas versetzten Entnahme der fertigen Bauteile begegnet werden. Das gleiche Problem besteht am Ofenausgang, wo zum einen die auf AC₃-Temperatur erwärmten Bauteile von den Gestellen entnommen und der Warmformpresse zugeführt werden müssen und zum anderen bereits gehärtete Bauteile wieder auf die noch warmen Gestelle aufgelegt werden sollen. Auch hier kann dem Problem durch eine entsprechend optimierte Anordnung der Fertigungslinie begegnet werden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
1 ein Transportgestell (1) in Draufsicht,
2 das mit zwei zu erwärmenden B-Säulen (5, 6) befüllte Transportgestell (1) und
3 das für die Aufnahme von bereits gehärteten B-Säulen modifizierte Transportgestell (1)
4 und 5 jeweils eine Seitenansicht des für die Wiederaufnahme von bereits gehärteten B-Säulen erneut modifizierten Transportgestells (1)
1 zeigt ein Transportgestell (1) vor dem Ofendurchlauf. Der schwarze Pfeil zeigt die Ofendurchlaufrichtung an. Exemplarisch sind die Aufnahmen (2 bis 4) und (21 bis 24) mit Bezugszeichen versehen. Das Gestell (1) besteht aus einem Grundrahmen (10), auf dem sich mehrere verschiedene Aufnahmen befinden. Die Aufnahmen (2 bis 4) und (21 bis 24) dienen dazu, eine B-Säule, die aufgelegt wird, während des Ofendurchlaufs in Position zu halten.
2 zeigt das Transportgestell (1) mit zwei aufgelegten B-Säulen (5, 6), für den Ofendurchlauf. Die B-Säulen (5, 6) liegen auf den Aufnahmen auf und werden so positionsgenau durch den Ofen transportiert.
3 zeigt das erwärmte Transportgestell (1) nach dem Ofendurchlauf. Auf die hinteren Aufnahmen (21, 22, 23 und 24) sind Kontaktschienen (7) und (8) aufgelegt worden, die zuvor im Ofen mitgeführt und erwärmt worden sind. Diese Kontaktschienen (7) und (8) dienen dazu, einen Wärmeübergang von dem warmen Transportgestell (1) in die Auflagefläche der bereits gehärteten B-Säulen beim Rücktransport durch einen nicht beheizten Abschnitt des Ofens sicher zu stellen.
4 zeigt das Transportgestell (1) in einer seitlichen Ansicht. Auf dem Transportgestell (1) befinden sich neben den Bauteilaufnahmen noch zusätzlich separate Aufnahmen (9) und (10) für eine gezielte Wärmeeinbringung, die separat zuschaltbar sind. Diese schaltbare Aufnahmen dienen dazu, einen Formunterschied zwischen einem vorgeformten Bauteil auf dem Weg durch den Ofen in Richtung Warmformpresse und einem endgeformten Bauteil auf dem Rückweg durch einen nicht beheizten Teil des Ofens auszugleichen.
5 zeigt das Transportgestell (1) in einer anderen seitlichen Ansicht. Hier sind zum einen separate zusätzliche Aufnahmen (11) und (12) dargestellt, die erst nach dem Ofendurchlauf in Richtung Presse zugeschaltet werden. Zum anderen sind an den Bauteilaufnahmen selbst zusätzliche Massen (13) und (14) für mehr Wärmekapazität angebracht, die in Pfeilrichtung hoch und runter verfahren werden können. Durch diese Schaltbarkeit erhält das Gestell eine zusätzliche Flexibilität.

Claims

Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus härtbarem Stahl, wobei die Bauteile in definierten Bereichen eine höhere Duktilität aufweisen als in anderen Bereichen, mit den Verfahrensschritten – Erwärmen der Bauteile auf Gestellen (1) in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur über den AC₃ Punkt der Legierung – Formen und Härten der Bauteile in einem anschließenden Warmform- und Presshärtungsprozess – Entnehmen der Bauteile aus der Presse – gezieltes Nacherwärmen von definierten Bereichen der Bauteile, um die Duktilität in diesen Bereichen wieder zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile nach der Entnahme aus der Presse auf die noch warmen Gestelle (1) erneut aufgelegt werden und die Restwärme der Gestelle (1) dazu genutzt wird, die gehärteten Bauteile in den definierten Bereichen gezielt nach zu erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gehärteten Bauteile in den definierten Bereichen gezielt angelassen werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den definierten Bereichen ein Wärmeeintrag in das Bauteil eingebracht wird, der in etwa das Ausgangsgefüge wiederherstellt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacherwärmung der Bauteile beim Rücktransport der Gestelle (1) durch einen nicht beheizten Ofenteil erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Gestelle (1) beim Rücktransport zwischen 930° und 300°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofendurchlaufzeit für den Rücktransport der Gestelle (1) bei 2 bis 6 Minuten liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag über zusätzliche Massen (13, 14) an den Gestellen in den definierten Bereich eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massen (13, 14) an den Gestellen schaltbar sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Aufnahmen (9 bis 12) an den Gestellen schaltbar sind.