DE102016102344B4

DE102016102344B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen gehärteter Stahlbauteile

Info

Publication number: DE102016102344B4
Application number: DE102016102344.2A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Kolnberger; Johannes Haslmayr
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH; Voestalpine Metal Forming GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH; Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2036-02-11
Also published as: US20190047032A1; EP3414028B1; CN109070173A; JP6692911B2; CN109070173B; JP2019504772A; EP3414028A1; ES2786781T3; KR102224344B1; KR20180114104A; WO2017137379A1; DE102016102344A1

Abstract

Verfahren zum Presshärten von Stahlblechbauteilen, wobei einem Stahlblechband aus einer härtbaren Stahllegierung eine Platine abgetrennt wird und die Platine anschließend austenitisiert wird, indem sie auf eine Temperatur größer Acerhitzt wird und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und in dem Umformwerkzeug umgeformt und beim Umformen mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Mikrorissen zweiter Art an der umzuformenden Blechplatine während des Umform- und Härtevorganges das Umgebungsmedium an zugbelasteten Stellen eingedüst oder abgesaugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen gehärteter Stahlbauteile.
Gehärtete Stahlbauteile haben insbesondere im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass durch ihre herausragenden mechanischen Eigenschaften eine Möglichkeit besteht, eine besonders stabile Fahrgastzelle zu erstellen, ohne dass Bauteile verwendet werden müssen, die bei normalen Festigkeiten viel massiver und dadurch schwerer ausgebildet werden.
Zur Erzeugung derartiger gehärteter Stahlbauteile werden Stahlsorten, die durch eine Abschreckhärtung härtbar sind, verwendet. Derartige Stahlsorten sind zum Beispiel borlegierte Mangankohlenstoffstähle, wobei der am weitesten eingesetzte, hier der 22MnB5 ist. Aber auch andere borlegierte Mangankohlenstoffstähle werden hierfür verwendet.
Um die aus diesen Stahlsorten gehärtete Bauteile zu erzeugen, muss das Stahlmaterial auf die Austenitisierungstemperatur (>Ac₃) erhitzt werden und abgewartet werden, bis der Stahlwerkstoff austenitisiert ist. Je nach gewünschtem Härtegrad können hier Teil- oder Vollaustenitisierungen erzielt werden.
Wird ein solches Stahlmaterial nach der Austenitisierung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt, wandelt die austenitische Struktur in eine martensitische, sehr harte Struktur um. Auf diese Weise sind Zugfestigkeiten R_m bis über 1500 MPa erzielbar.
Zur Erzeugung der Stahlbauteile sind derzeit zwei Verfahrenswege üblich.
Beim sogenannten Formhärten wird eine Stahlblechplatine aus einem Stahlband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt und anschließend in einem üblichen, beispielsweise fünfstufigen Tiefziehprozess zum fertigen Bauteil tiefgezogen. Dieses fertige Bauteil wird hierbei etwas kleiner dimensioniert, um eine nachfolgende Wärmedehnung beim Austenitisieren zu kompensieren.
Das so erzeugte Bauteil wird anschließend austenitisiert und dann in ein Formhärtewerkzeug eingelegt, in dem es gepresst, aber nicht oder nur sehr gering umgeformt wird und durch die Pressung die Wärme aus dem Bauteil in das Presswerkzeug fließt, und zwar mit der über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit.
Der weitere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten, bei dem eine Platine aus einem Stahlblechband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt wird, anschließend die Platine austenitisiert wird und die heiße Platine bei einer Temperatur unter 782°C in einem vorzugsweise einstufigen Schritt umgeformt und gleichzeitig mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt wird.
In beiden Fällen können mit metallischen Korrosionsschutzschichten z.B. mit Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink versehene Platinen verwendet werden. Das Formhärten wird auch als indirekter Prozess bezeichnet und das Presshärten als direkter Prozess. Der Vorteil des indirekten Prozesses ist, dass aufwändigere Werkstücksgeometrien realisierbar sind.
Der Vorteil des direkten Prozesses ist, dass ein höherer Materialnutzungsgrad erreicht werden kann. Jedoch ist die erreichbareBauteilkomplexität vor allem beim einstufigen Umformprozess geringer.
Beim Presshärten ist jedoch von Nachteil, dass es insbesondere bei verzinkten Stahlblechplatinen dazu kommt, dass Mikrorisse in der Oberfläche gebildet werden.
Hierbei wird zwischen Mikrorissen erster Ordnung und Mikrorissen zweiter Ordnung unterschieden.
Mikrorisse erster Ordnung werden auf das sogenannte Liquid Metal Embrittlement zurückgeführt. Man vermutet, dass flüssige Zinkphasen während des Umformens, d.h. während Zugspannungen auf das Material aufgebracht werden, mit noch bestehenden Austenitphasen in Wechselwirkung geraten, wodurch Mikrorisse mit Tiefen bis zu einigen 100 µm im Material erzeugt werden.
Der Anmelderin ist es gelungen, durch aktives oder passives Kühlen des Materials zwischen der Entnahme aus dem Erhitzungsofen und vor dem Start des Warmumformvorgangs auf Temperaturen, bei denen keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind, diese Mikrorisse erster Ordnung zu unterbinden. Dies bedeutet, dass die Warmumformung bei Temperaturen unter etwa 750°C stattfindet.
Die Mikrorisse zweiter Ordnung sind bislang bei der Warmumformung trotz Vorkühlung nicht beherrschbar und entstehen auch bei Warmumformtemperaturen unter 600°C. Die Risstiefen hierbei betragen hierbei bis zu einigen 10 µm.
Weder Mikrorisse erster Ordnung noch Mikrorisse zweiter Ordnung werden von den Anwendern akzeptiert, da dies eine mögliche Schadensquelle darstellt.
Mit den bisherigen Methoden kann eine Produktion von Bauteilen ohne Mikrorisse zweiter Ordnung noch nicht gesichert dargestellt werden.
Aus der DE 10 2011 055 643 A1 ist ein Verfahren und Umformwerkzeug zum Warmumformpresshärten von Werkstücken aus Stahlblech bekannt, und insbesondere aus verzinkten Werkstücken aus Stahlblech. Hierbei soll die zum Warmumformen und Presshärten verwendete Matrize in ihrem durch einen positiven Ziehradius definierten Ziehkantenbereich mit einem Materialstoff flüssig beschichtet sein oder mit einem Einsatzteil versehen sein, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die um mindestens 10 W/(m × K) geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des dem Ziehkantenbereich benachbarten Abschnitts der Matrize, der beim Warmumformen und Presshärten des Werkstücks mit demselben in Kontakt gelangt. Die dem Werkstück zugewandte Oberfläche des im Ziehkantenbereich aufgetragenen Materials oder des angeordneten Einsatzteiles soll ein sich über die Ziehkante erstreckendes Quermaß besitzen, das im Bereich des 1,6-fachen bis 10-fachen des positiven Ziehradius der Matrize liegt. Hierdurch sollen die Fließeigenschaften von Werkstücken aus Stahlblech während des Warmumformens verbessert werden und damit die Gefahr des Auftretens von Rissen bei der Warmumformung von Werkstücken aus Stahlblech, vorzugsweise verzinkten Stahlplatinen, erheblich reduziert werden. Mit einem solchen Werkzeug können jedoch Mikrorisse zweiter Art nicht vermieden werden.
Aus der DE 10 2011 052 773 A1 ist ein Werkzeug für ein Presshärtewerkzeug bekannt, wobei die formgebende Oberfläche des Werkzeugs bereichsweise durch in die Formoberfläche zwei eingebrachte Mikrovertiefungen mikrostrukturiert. Durch diese Maßnahme soll die für die Umformung eines Rohlings effektive Kontaktfläche zwischen der Formoberfläche mit einem Rohling auf die zwischen den Vertiefungen befindlichen Flächenanteile vier beschränkt werden. Hierdurch soll die Reibung vermindert werden.
Aus der DE 10 2004 038 626 B3 ist ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech bekannt, wobei vor, beim oder nach dem Formen des Formteils ein notwendiger Endbeschnitt des Formteils und gegebenenfalls erforderliche Ausstanzungen bzw. die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen wird und das Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffs ermöglicht, und wobei das Bauteil anschließend in ein Formhärtewerkzeug überführt wird und im Formhärtewerkzeug eine Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das zumindest teilbereichsweise Anlegen und Pressen des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird, wobei das Bauteil vom Formhärtewerkzeug im Bereich der positiven Radien gestützt wird, teilbereichsweise zumindest und im Bereich der Beschnittkanten vorzugsweise von zwei Klemmen festgehalten wird und in Bereichen, in denen das Bauteil nicht geklemmt wird, das Bauteil zumindest zu einer Formwerkzeughälfte mit einem Spalt beabstandet ist. Diese Maßnahme dient dazu, das Bauteil verzugsfrei klemmen zu können und unterschiedliche Härtegradienten durch unterschiedliche Härtegeschwindigkeiten einzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, Mikrorisse zweiter Art in direkt warmumgeformten, also pressgehärteten Bauteilen zu vermeiden.
Die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es ist darüber hinaus eine Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Stahlblechplatinen im Presshärteverfahren warmumgeformt und gehärtet werden können und bei dem Mikrorisse vermieden werden.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfinder haben erkannt, dass Mikrorisse zweiter Art entstehen, wenn in zugbelasteten Bereichen der auftretende Zinkdampf in hinreichender Konzentration zum Stahl gelangt, sogenanntes Vapour Metal Embrittlement (VME). Zinkdampf entsteht durch Aufreißen der Zinkeisenschicht bei der Dehnung während des Umformvorgangs. Hinreichende Konzentration tritt insbesondere in jenen Bereichen auf in welchen direkter Kontakt des Blechs mit dem Werkzeug vorherrscht oder ein sehr geringer Abstand des Blechs zum Werkzeug vorliegt. Ein sehr geringer Abstand im Sinne der Erfindung ist weniger als 0,5 mm. Erfindungsgemäß sollen Mikrorisse zweiter Ordnung vermieden werden, wobei ein möglichst großes Arbeitsfenster hinsichtlich Material und Temperatur erhalten bleibt und die Umsetzung kostengünstig ist. Bei mindestens gleicher Durchlaufzeit soll keine Taktzeiterhöhung bzw. Durchsatzreduktion bei der Bauteilherstellung resultieren.
Erfindungsgemäß wird bei den zugbelasteten Bereichen (Dehnungsrandfaser) der auftretende Zinkdampf entweder durch Gasströme (Konvektion) abgeführt bzw. abgeblasen oder ausreichend verdünnt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann durch Zutritt von Fluiden Zink rasch in eine stabile Verbindung wie Zinkoxid oder ZnJ2 umgewandelt werden. Des Weiteren kann der Schutz des Stahls gegen Mikrorisse zweiter Ordnung auch durch Erzeugung einer Schutzschicht wie zB Oxidschicht, mittels Zuführen eines Fluids erreicht werden. Alle beschriebenen Maßnahmen haben jeweils gezeigt, dass Mikrorisse deutlich reduziert werden.
Die Vermeidung der Mikrorisse zweiter Ordnung wird hierbei dadurch gewährleistet, dass an der umzuformenden Blechplatine während des Umform- und Härtevorganges das Umgebungsmedium in jenen Bereichen an welchen Zugdehnungen an einer Randfaser auftreten ausgetauscht wird. Durch den Austausch wird der auftretende Zinkdampf verdünnt oder entfernt.
Durch Austausch des Umgebungsmediums kann durch insbesondere kontinuierliches Einbringen oder Abführen, also Eindüsung oder Absaugung eines Mediums geschehen.
Das Medium hierfür kann Luft, Sauerstoff, Stickstoff oder andere Fluide bzw. Gase sein.
Diese Medien werden über Bohrungen oder andere Zugänge wie mittels Freisparungen im Werkzeug eingebracht und besonders bevorzugt mit einem Überdruck von mehr als 1 bar eingedüst. Bei einer Absaugung erfolgt diese ebenso bevorzugt mit mehr als 1 bar Druck.
Besonders bevorzugt ist ein kontinuierlicher Austausch des Mediums im Betrieb, da so möglichst gleichmäßige Herstellbedingungen geschaffen werden.
Zusätzlich kann ein Vorwärmaggregat für eine Erwärmung des Fluids vor der Einbringung vorgesehen sein um eine bestimmte Temperierung zu erreichen als auch die Kühlwirkung zu verringern, da die Härtung des Bauteils vorzugsweise erst beim Ende des Umformvorganges erfolgen soll, d.h. wenn das Werkzeug vollständig geschlossen ist.
Zusätzlich können Freisparung im Werkzeug vorhanden ist, welche so dimensioniert ist, dass einerseits das Tiefziehen nicht beeinträchtigt wird oder die Platine bzw. das Werkstück wellig wird und andererseits so dimensioniert ist, dass der Wärmeabfluss, der für die Härtung notwendig ist, ebenfalls nicht maßgeblich beeinträchtigt wird. Die Freisparungen sind aber so bemessen, dass sie ein Reservoir für Fluide insbesondere Sauerstoff derart darstellen, dass ausreichend Sauerstoff an die sich ziehende Platine bzw. das Material gelangt, um freiwerdende Zinkphasen oder Zinkeisenphasen zur Oxidation mit Sauerstoff zu versorgen.
Vorteilhafterweise können die Freisparungen werkzeugseitig während der Umformung kontinuierlich mit Fluiden oder Sauerstoff enthaltenden Fluiden gespeist werden, zum Beispiel durch geeignete Zutrittsöffnungen, wobei sich vorteilhaft ein Strömungskissen ausbilden kann. Zudem kann der Werkzeughohlraum nach dem Ausformen eines Werkstücks und vor dem Einlegen einer weiteren Platine mit einem sauerstoffhaltigen Fluid gespült werden, welches dann in den Freisparungen vorhanden ist. Beispiele für ein sauerstoffhaltiges Fluid ist Luft, die gasförmig zugeführt wird.
Es hat sich gezeigt, dass der Austausch des Umgebungsmediums an den zugbelasteten Stellen, auch wenn dieses Medium nicht direkt an diesen zugbelasteten Stellen eingebracht wird, die Bildung von Mikrorissen zweiter Ordnung wirkungsvoll durch Abführung von auftretenden Zinkdampf unterbindet.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:

1 den Werkzeugbereich, benachbart zu einer Ziehkante mit einer erfindungsgemäßen Freistellung;
2 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freistellung;
3 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer erfindungsgemäßen Schlitzanordnung in einer teilgeschnittenen Seitenansicht;
4 die Anordnung nach 3 in einer Draufsicht.
5 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einem Blechniederhalter und Fluidzufuhrdüsen;

Der Ziehkantenbereich 1 bzw. Bereich eines positiven Radius 1 ist an einem Formwerkzeug angeordnet und besitzt zwei werkstückseitige Flächen 3, 4, welche sich im Bereich einer Ziehkante oder eines positiven Radius 2 treffen.
In einer, der Ziehkante 2 in Ziehrichtung nachfolgenden Fläche 4 ist eine Freisparung 5 angeordnet. Die Freisparung 5 ist dabei so dimensioniert, dass die verbleibende Dicke der Ziehkante 2 zwischen der Fläche 3 und der Freisparung 5 in etwa ihrem Radius entspricht, um eine ausreichende Stützwirkung für das zu ziehende Material zu bieten.
Die Freisparung 5 besitzt zwischen der Ziehkante 2 und der Fläche 4 eine Höhe, die in etwa 25 bis 35 mm beträgt, bei einer Tiefe von 5 bis 9 mm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (2) ist anstelle einer großflächigeren Freisparung 5 benachbart zur Ziehkante 2, und diese in bereits beschriebener Stärke belassend, in die Fläche 4 eine Nut 6 eingebracht. Die Nut 6 besitzt dabei eine Höhe zwischen der Fläche 4 und der Ziehkante 2, die in etwa 8 bis 12 mm beträgt, bei einer Tiefe von 5 bis 9 mm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist anstelle einer durchgehenden Freisparung 5 im Bereich der Wandung 4 benachbart zur Ziehkante 2 eine Mehrzahl von in Ziehrichtung verlaufenden Nuten 7 vorhanden, wobei die Nuten 7 bzw. Schlitze 7 beispielsweise eine Schlitzbreite von 4 bis 8 mm und einen Schlitzabstand von 7 bis 11 mm besitzen, so dass die verbleibenden Stege eine Breite von 1 bis 5 mm besitzen. Die Nuten 7 bzw. Schlitze 7 besitzen hier ebenfalls eine Tiefe von 5 bis 9 mm.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass bei den vorgenannten Geometrien die relativ geringe Fluidmenge innerhalb der Freisparungen 5, 6, 7 gegebenenfalls auch trotz der Stege 4 ausreicht, um die Bildung von Mikrorissen zweiter Art wirkungsvoll durch die zur Verfügungstellung von Sauerstoff zu unterbinden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform (nicht gezeigt) können die Freisparungen 5, die Nut 6, die Schlitze 7 rückseitig, d.h. vom Werkzeug her, mittels Zuführungen und entsprechend gebohrter Leitungen mit einem sauerstoffhaltigen Fluid versorgt werden, um gegebenenfalls den Sauerstoffpartialdruck im Bereich der Freisparungen 5, Nuten 6 und Schlitze 7 noch zu erhöhen.
Um bei kontinuierlichen Prozessen den Sauerstoffgehalt innerhalb dieser Freisparungen 5, Nuten 6 und Schlitze 7 auf einem hohen Niveau zu halten, kann auch der Formhohlraum mit einem sauerstoffhaltigen Fluid so gespült werden, dass jederzeit genug Sauerstoffreservoir in den Freistellungen 5, Nuten 6 und Schlitzen 7 gegeben ist.
Erfindungsgemäß wird in allen Fällen eine eine Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas dadurch gewährleistet, dass über Zufuhrbohrungen 8 im Werkzeug 1, oder in einem Blechniederhalter oder in einer Patrize 9 Gas mit Druck zugeführt werden kann. Dieses Gas kann hierbei in eine Freisparung (1 bis 4) und/oder die Fläche 4 (2) oder zu den Flächen 4, 3 geführt werden. Beim Vorhandensein eines Oberwerkzeuges oder eines Blechniederhalters 9 können auch hier die entsprechenden Bohrungen 8 vorhanden sein, die zu einer Niederhalterfläche 10 reichen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn auch in diesem Bereich Blechdehnungen stattfinden.
Die Zufuhrbohrungen 8 weisen jeweils einen Durchmesser von bevorzugt 3 bis 8 mm auf. Jedoch können ggf. auch kleinere Durchmesser angewandt werden, wenn die Menge an ausströmenden Fluid groß genug ist.
Beispielsweise hat sich gezeigt, dass bei einer Stempelgeschwindigkeit von 250 mm/Sekunde bereits eine Luftzufuhr von 0,01 1/Sekunde pro cm² umzuformende Blechoberfläche ausreichend war um Mikrorisse zweiter Ordnung bei einer Umformtemperatur kleiner 600°C wirkungsvoll zu vermeiden.
Bei höheren Umformtemperaturen sind größere Luftmengen erforderlich.

Claims

Verfahren zum Presshärten von Stahlblechbauteilen, wobei einem Stahlblechband aus einer härtbaren Stahllegierung eine Platine abgetrennt wird und die Platine anschließend austenitisiert wird, indem sie auf eine Temperatur größer Ac₃ erhitzt wird und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und in dem Umformwerkzeug umgeformt und beim Umformen mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Mikrorissen zweiter Art an der umzuformenden Blechplatine während des Umform- und Härtevorganges das Umgebungsmedium an zugbelasteten Stellen eingedüst oder abgesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung des Umgebungsmediums mit mehr als 1 bar Überdruck erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgebungsmedium Luft oder Sauerstoff oder Stickstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgebungsmedium kontinuierlich eingedüst oder abgesaugt wird.
Vorrichtung zum Durchführen der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zwei Formwerkzeughälften, wobei die zwei Formwerkzeughälften eine Platine tiefziehend zusammenwirken und aufeinander zufahrbar und auseinanderfahrbar ausgebildet sind, wobei zumindest eine Zu- bzw. Ableitung (8) zum Austausch eines fluiden Mediums an zugbelasteten Stellen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Freisparung in zugbelasteten Bereichen des Blechs angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Freisparungen (5, 6, 7) und/oder Werkzeugflächen (3, 4, 10) rückseitig, d.h. vom Werkzeug (1) her, mittels Zuführungen und entsprechend gebohrter Leitungen (8) mit einem sauerstoffhaltigen Fluid versorgbar sind.