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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von gehärteten Stahlblechbauteilen.
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Bei der Erzeugung von Stahlblechbauteilen, insbesondere im Automobilbau, gibt es für die Erzeugung von gehärteten Stahlblechbauteilen, die insbesondere tragende Funktionen übernehmen sollen, wie Längsträger und Säulen und daher bei geringem Gewicht zugleich eine hohe Festigkeit und Steifigkeit beim Crashfall, als auch zugleich einen Korrosionsschutz bieten, derzeit zwei gängige Verfahren.
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Das erste gängige Verfahren ist das sogenannte Presshärten, auch als direktes Verfahren bekannt. Beim Presshärten wird ein Stahlblechbauteil dadurch erzeugt, dass eine ebene Platine aus einem härtbaren Stahl auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegt, so dass die Struktur des Stahls zumindest teilbereichsweise in der Hochtemperaturmodifikation, nämlich Austenit vorliegt. Anschließend wird diese ebene Platine in einem Umformwerkzeug mit vorzugsweise einem einzigen Umformhub in eine gewünschte Form umgeformt und durch den Kontakt mit den Umformwerkzeughälften die Wärme aus dem Stahlmaterial so schnell entzogen, dass es zu einer martensitischen Härtung kommt, bei der der Austenit im Wesentlichen in Martensit umgewandelt wird. Die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr muss hierfür über der sogenannten kritischen Härtegeschwindigkeit liegen, die üblicherweise oberhalb von 20 Kelvin pro Sekunde liegt.
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Dieses Presshärteverfahren ist seit langem bekannt und eingeführt und wird insbesondere zur Erzeugung von Bauteilen verwendet, deren Formgebung nicht so komplex wäre, dass sie nicht mit einem einzigen Pressenhub erzeugbar ist. Ein zweites bekanntes Verfahren wurde von der Anmelderin entwickelt, es ist das sogenannte Formhärteverfahren, auch indirektes Verfahren genannt und aus der
EP1651789B1 bekannt. Das Formhärteverfahren erlaubt es, deutlich komplexere Formen zu erzeugen.
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Hierzu wird eine Stahlblechplatine in an sich bekannter Weise kalt umgeformt. Diese kalte Umformung erfolgt wie allgemein üblich in einer Umformstraße mit beispielsweise fünf Umformpressen, die eine ebene Stahlblechplatine Schritt für Schritt in ein komplexes Bauteil umformen.
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Anschließend wird das so kalt umgeformte Bauteil in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt, um ebenfalls einen weitestgehend oder vollständig austenitischen Zustand des Stahlgefüges zu erzielen.
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Dieses bereits umgeformte und erhitzte Stahlbauteil wird anschließend in ein sogenanntes Formhärtewerkzeug überführt und in dem Formhärtewerkzeug durch das Anlegen der Formhärtewerkzeuge mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt und dadurch gehärtet. Hierbei wird die kalte Umformung so durchgeführt, dass eine Dimensionsänderung durch Wärmedehnung beim Austenitisieren durch ein entsprechend kleineres Ausformen in allen drei Raumrichtungen berücksichtigt wird.
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Bei dem Formhärteprozess ist wie bereits ausgeführt von Vorteil, dass durch die übliche kalte vollständige Vorformung eine deutlich komplexere Bauteilform als beim direkten Verfahren möglich ist.
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Zusätzlich können die gehärteten Stahlblechbauteile einen Korrosionsschutz bieten, wenn die Platine bzw. das Band aus welcher diese erzeugt wurden mit einer metallischen Korrosionsschutzschicht ausgebildet ist, insbesondere mit einer metallischen Korrosionsschutzschicht auf der Basis von Zink oder Basis von Aluminium oder deren Legierungen.
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Bei dem sogenannten Formhärten wird somit ein an sich allen drei Raumrichtungen fertig ausgeformtes Bauteil, welches gegebenenfalls um die Dehnung in alle drei Raumrichtungen verkleinert ist, auf die zum Härten notwendige Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und anschließend in das Formhärtewerkzeug eingelegt, in dem es gegebenenfalls mit geringsten Korrekturen, insbesondere auch Korrekturen von aufheizbedingtem Verzug allseitig gepresst und durch das allseitige Anliegen der Formwerkzeuge abschreckgehärtet wird.
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Dies bedeutet somit, dass das komplett fertig geformte Bauteil durch einen Aufheizofen geführt werden muss.
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Um derartige Bauteile durch einen Ofen durchzuführen, sind sogenannte Warenträger bekannt, wobei die Warenträger das Bauteil an vorbestimmten Stellen aufnehmen und durch den Ofen führen. Üblicherweise sind derartige Warenträger aus Metall ausgebildet und werden mit aus dem Ofen ausgeführt, zum Ofeneingang rückgeführt, neu bestückt und wieder durch den Ofen geführt.
Aus energetischen Gründen ist dies jedoch von Nachteil, da dies bedeutet, dass Energie in Form von Wärme aus dem Ofen ausgeführt wird und die abgekühlten Warenträger im Ofen wieder aufgeheizt werden müssen. Zudem sind die Warenträger aufwändig in der Herstellung. Da sie bauteilspezifisch hergestellt werden müssen, müssen beim Wechsel auf andere Bauteile einerseits andere Warenträger beschafft werden und zudem muss der Ofen entsprechend umgerüstet werden. Für kleinere Serien lohnen sich die Warenträger daher kaum.
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Darüber hinaus ist es bekannt, anstelle von Warenträgern beispielsweise Kettenförderer einzusetzen, auf die die vorgeformten Teile aufgelegt werden und dann durch den Ofen transportiert werden. Das macht zwar den Prozess flexibler, allerdings konnte festgestellt werden, dass die Kontaktstellen der Bauteile mit den Förderketten oftmals Ausblühungen des die Bauteile bedeckenden, metallischen Korrosionsschutzmaterials, insbesondere Zinks, verursachen.
Neben sogenannten Kettenförderöfen ist es insbesondere aus dem Presshärten bekannt, dass auch Rollenherdöfen und Kammeröfen bzw. Mehrlagenkammeröfen oder artverwandte Ofenausführungen zum Einsatz kommen, bei welchen die beschriebenen Ausblühungen in vergleichbarem Maße auftreten. Im Allgemeinen sind jegliche Kontakte im Ofen zu vermeiden. Kontaktelemente können jegliche Fördermittel sein. Kontaktelemente bei Durchlauföfen können Ketten sein, aber auch Platten, Hubbalken, Rollen oder ähnliches ist denkbar. Bei Kammeröfen bzw. Mehrlagenkammeröfen sind Ablageleisten vorhanden. Im Sinne der Erfindung werden unter dem Begriff Kontaktelement die genannten Fördermittel als auch diese Ablageleisten in Kammeröfen mit umfasst.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Stahlbauteilen zu schaffen, bei dem die Bauteile eine bessere Qualität besitzen und welches zudem prozessflexibel auf unterschiedliche Bauteile anpassbar ist und für alle fürs Formhärten und Presshärten eingesetzten Ofenausführungen kostengünstig und energieeffizient anwendbar ist.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass Zinkausblühungen an der Oberfläche, die auf dem Kontaktelement insbesondere Kettenförderer aufliegt, dadurch vermindert werden können, dass die Oberfläche entsprechend verkleinert wird, indem aus den üblicherweise auf dem Kettenförderer aufliegenden Oberflächen Ausformungen wie beispielsweise nicht fertig geformte Flansche oder ausgeformte Auflagestege im Kaltumformprozess vorgenommen werden, die im Formhärteschritt wieder rückgängig gemacht werden.
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Somit wird erfindungsgemäß im Kaltumformprozess eine Biegung bzw. Verformung weggelassen oder nur teilweise ausgeführt oder eine weitere Biegung bzw. Vorformung des Bauteils so vorgenommen, dass die Auflagefläche auf dem Kontaktelement verringert wird und insbesondere so gering wie möglich gehalten wird. Dies kann insbesondere eine lediglich teilbereichsweise Verformung sein. Insbesondere wird die weitere Biegung bzw. Vorformung so durchgeführt, dass weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 3 % und weiter bevorzugt weniger als 1 % der Bauteiloberfläche auf dem Kontaktelement aufliegen.
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Insofern wird erfindungsgemäß von einer flächigen auf eine punktförmige und/oder linienförmige Auflage umgestellt.
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In der weit überwiegenden Zahl aller Fälle liegen die Bauteile mit ihren Flanschen, die zur späteren Weiterverarbeitung und insbesondere zur Erzeugung von Schweißverbindungen mit anderen Bauteilen notwendig sind, auf dem Kontaktelement auf.
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Erfindungsgemäß beispielsweise ist es möglich, eine punktförmige und/oder linienförmige Auflage dadurch zu schaffen, dass die Flansche aus ihrer üblichen Lage um etwa 2 - 10°, bevorzugt 3 bis 8° insbesondere 7° in Richtung zum Kontaktelement verbogen sind, so dass beispielsweise die Flanschkante gegenüber ihrer Soll-Lage um einige Millimeter, beispielsweise 2,5 mm, in Richtung zum Kontaktelement verbogen ist. Diese Verformung kann über die Länge der Flanschkante oder andere Auflagebereiche zudem auch nur über Teilbereiche bzw. Teillängen erfolgen. Hierdurch wird eine linienförmige Auflage auf den jeweiligen Punkten des Kontaktelementes erzielt, welche eine Beeinträchtigung der verzinkten Oberfläche weitestgehend bzw. vollständig vermeidet.
Die jeweilige Breite des Auflagebereichs kann vorteilhafterweise an die Breite des Kontaktelements insbesondere Kettenförderers angepasst werden. Beispielsweise kann bei einem Kettenabstand zum Hubbalken von 30 cm die Breite des Auflagebereichs größer als 30 cm gewählt werden um sicher eine linienförmige Auflage auf einer Kette bzw. Hubbalkens zu gewährleisten und eine flächige Auflage zu vermeiden.
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Vorteilhafterweise kann zwischen den Teilbereichen ein Übergangsbereich vorgesehen werden der einen vorteilhafterweise kontinuierlichen Verlauf der Aufbiegung zum Bereich ohne Verformung aufweist. Beispielsweise kann ein Bereich von 40 mm bis 150 mm zwischen dem Bereich mit 2 bis 10° Umformung und den nicht umgeformten Bereichen vorliegen. Dies kann weitere Vorteile bzgl. der Robustheit gegen Mikrorissen oder ähnlichen Fehlern bieten.
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Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass eine solche Verbiegung bzw. Ausformung der Flansche beim Kaltumformen während des Formhärtens in die gewünschte Form korrigiert werden kann, ohne dass Mikrorisse oder andere Oberflächenfehler auftreten und zudem keine Zinkausblühungen nach dem Formhärten mehr feststellbar sind, da die Auflageflächen zu klein sind, um diese Veränderungen herbeizuführen. Ferner wird hierbei die Auflage in den ohnehin unkritischen Kantenbereich verschoben, welche für die Herstellung von Schweißverbindungen eine untergeordnete Rolle spielt.
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Anstelle einer Ausbiegung der entsprechenden Flansche ist es natürlich auch denkbar, die ebenen Flansche mit entsprechenden punktförmigen Sicken oder linienförmigen Sicken auszubilden, welche ebenfalls nur auf engen kleinen Bereichen auf dem Kontaktelement aufliegen.
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Bei Bauteilen, die mit einer Hauptfläche und nicht mit einem Flansch auf dem Kontaktelement aufliegen, können an diesen Hauptflächen ebenfalls Ein- oder Ausbiegungen bzw. - formungen vorgenommen werden, welche später während des Formhärtens entsprechend zurückgeformt werden.
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Bei der Erfindung ist somit von Vorteil, dass für das Bauteil eine flexible Verwendung von Kettenförderern oder anderen Kontaktelementen möglich wird, ohne die Bauteile negativ zu beeinflussen.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils, wobei von einem Coil aus einer härtbaren Stahllegierung bzw. einem Stahlband Stahlblechplatinen geschnitten werden und die Stahlblechplatinen anschließend in einem Kaltumformprozess zu einem Stahlblechbauteil-Vorformling geformt werden und anschließend die Vorformlinge in einem Durchlaufofen auf eine zum Härten notwendige Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt werden und anschließend in einem Formhärtewerkzeug gepresst und dadurch abschreckgehärtet werden, wobei der Vorformling mit punkt- oder linienförmigen Sicken oder Prägungen ausgebildet wird oder auf dem Kontaktelement aufliegende Flansche mit ihrem freien Ende oder Teillängen derselben so zum Kontaktelement gebogen sind, dass sie mit der Kante oder einer Teillänge der Kante aufliegen und anschließend beim Formhärten die als Auflagefläche dienenden Sicken oder Ausbiegungen oder Biegungen am oder des Flansches in die Soll-Geometrie des fertigen Bauteils gepresst bzw. umgeformt werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass zur Erzeugung der linienförmigen Auflageflächen die Flansche des Bauteils oder die Kantenbereiche des Flansches bezogen auf eine die Soll-Lage des Flansches um 2 - 10°, insbesondere 3 - 8° in Richtung zum Kontaktelement insbesondere Kettenförderer abgebogen sind. Dies bedeutet, dass bei einer Soll-Lage von 1° eine Ausbiegung um 2 - 10° dann eine resultierende Gesamtabwinkelung von der Ebene um 3 - 11° entspricht. Abgebogen im Sinne der Erfindung kann auch abgekippt, abgeklappt oder ähnliche Deformationen umfassen, dies bedeutet, die abgebogene Fläche kann in sich Eben oder auch gekrümmt sein.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Flanschkanten um 2 - 7, insbesondere 2 - 6 mm in Richtung zu dem Kontaktelement, insbesondere Kettenförderer ausgelenkt, abgebogen sind.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass von einer einem Förderer benachbarten Fläche des Bauteils punkt- oder linienförmige Sicken zur Auflage auf einem Kontaktelement insbesondere Kettenförderer punkt- oder linienförmige Sicken ausgeprägt sind.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die punkt- oder linienförmigen Sicken um 2 - 7 mm zum Kettenförderer oder anderen Kontaktelementen vorstehen.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die verwendete Stahlblechplatine eine Platine ist, welche mit einer metallischen Korrosionsschutzschicht ausgebildet ist, insbesondere mit einer metallischen Korrosionsschutzschicht auf der Basis von Zink oder Basis von Aluminium oder aus Zink oder Aluminium oder deren Legierungen. Vorteilhafterweise kann eine Beschichtung auf Basis von Zink verwendet werden, um einen kathodischen Korrosionsschutz des Stahlbauteils zu gewährleisten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Verwendung von umwandlungsverzögerten Stahlgüten vor, bei welchem ein warm- oder kaltgewalztes Stahlband mit einem Konzentrationsbereich der folgenden Legierungselemente in den Grenzen in Gew.- Prozent:
- Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,15 bis 0,3
- Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5
- Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5
- Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9
- Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,1 bis 0,5
- Nickel bis 0,9,
- Titan bis 0,2 vorzugsweise 0,02 bis 0,1
- Vanadin bis 0,2
- Wolfram bis 0,2,
- Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07
- Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005
- Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008
- Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01
- Rest Eisen und Verunreinigungen
eingesetzt wird.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass als Stahlband ein legierungsverzinktes Stahlband aus einer härtbaren Stahllegierung, insbesondere einem Bor-Mangan-Stahl wie beispielsweise einem 22MnB5 oder 20MnB8 verwendet wird.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
- 1: Der Verfahrensablauf beim Formhärten stark schematisiert;
- 2: schematisiert die Auflagebereiche eines vorgeformten Bauteils auf einem Kettenförderer ohne erfindungsgemäß ausgebogene Bereiche;
- 3: stark schematisiert das Aufstandsverhalten eines vorgeformten Bauteils auf einem Kettenförderer mit erfindungsgemäß ausgebogenen Flanschen;
- 4: ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Bauteil auf einem Kettenförderer;
- 5: schematisiert ein erfindungsgemäßes Bauteil mit aufgebogenen Flanschbereichen zur Erzeugung einer linienförmigen Auflage im Durchlauf bei einem Hubschrittfördererofen in der Draufsicht;
- 6: schematisiert ein erfindungsgemäßes Bauteil mit aufgebogenen Flanschbereichen zur Erzeugung einer linienförmigen Auflage im Durchlauf bei einem Rollenherdofen in der Draufsicht;
- 7: schematisiert ein erfindungsgemäßes Bauteil mit aufgebogenen Flanschbereichen zur Erzeugung einer linienförmigen Auflage bei einem Mehrlagenkammerofen in der Draufsicht.
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1 zeigt den Formhärteprozess stark schematisiert, bei dem von einem Stahlband bzw. Stahlcoil zunächst Platinen abgeschnitten werden, die Platinen anschließend kalt umgeformt werden und die kalt umgeformten Vorformlinge anschließend in einem Ofen austenitisiert werden. Die austenitisierten Vorformlinge werden anschließend in die Formhärteform gebracht und dort gehärtet, dann dort entnommen und als fertiger Formling einer gegebenenfalls notwendigen Oberflächenkonditionierung unterzogen.
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In 2 sind für derartige Bauteile die Auflageflächen auf einem Kettenförderer gezeigt, wobei das vorgeformte Bauteil hier vollflächig mit seinen Flanschen aufliegt.
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3 zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Flansche so geformt sind, dass das Bauteil nur mit den Kantenbereichen der Flansche auf dem Kettenförderer aufliegt, so dass ein vollflächiger Kontakt und damit die Ausblühungen auf der gesamten Fläche vermieden werden. Gegebenenfalls dennoch auftretende Ausblühungen sind an dieser Stelle unkritisch, da die Kantenbereiche zumindest bezüglich einer Schweißverbindung nicht relevant sind.
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In 4 ist ein Bauteil gezeigt, bei dem die Flansche über eine Teillänge verformt sind um eine linienförmige Aufstandsfläche entlang der Kante zu erzielen, wobei Teillängen die Sollform haben, z.B. eben und Übergangsbereiche zwischen den gebogenen und den ebenen Bereichen.
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In 5 wird ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einer linienförmigen Auflage im Durchlauf bei einem Hubschrittförderer in der Draufsicht dargestellt. Das in 4 dargestellte Bauteil entspricht im Wesentlichen der Skizze in 5. Dabei erkennt man die einzelnen Förderketten und dazwischen liegende Hubbalken. Dabei weisen die aufgebogenen Flanschbereiche in diesem Beispiel zumindest eine Länge von KH, also den Abstand zwischen einer Kette und einem Hubbalken in diesem Beispiel etwa 10 cm auf. Derart kann die Auflagefläche gesichert vermindert werden und anstelle einer flächigen Auflage eine nur linienartige Auflage des Bauteils und dies auch nur an den aufgebogenen Flanschbereichen sichergestellt werden. Der Bereich B beschreibt die Länge des aufgebogenen Flanschbereichs (in der 5 nur links markiert). Dabei wird jeweils beidseitig, d.h. bei diesem Bauteilbeispiel an vier Bereichen eine linienartige Auflage an den Aussenkanten der Flansche vorgenommen. Selbstverständlich wäre je nach Bauteilgeometrie auch eine Auflage an weniger Linienbereichen (beispielsweise drei Linien) oder auch mehr Linienbereichen möglich.
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6 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einer linienförmigen Auflage im Durchlauf bei einem Rollenherdofen in der Draufsicht. Ähnlich wie zuvor werden hier wieder Bereiche mit aufgebogenen Flanschen gezeigt und dieser wieder mit B markiert (nur links). Dieser Bereich kann vorteilhafterweise mindestens die Länge von einer Ofenrolle zur nächsten Ofenrolle überschreiten (Länge OR).
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In 7 wird ein erfindungsgemäßes Bauteil mit einer linienförmigen Auflage bei einem Mehrlagerkammerofen in der Draufsicht dargestellt. Im Gegensatz zu den 5 und 6 wird hier kein Durchlaufofen sondern ein Mehrlagerkammerofen (oder Einzelkammerofen) schematisch dargestellt. Hier kann vorteilhafterweise der Bereich der aufgebogenen Flansche aufgrund der stationären Lagerung kleiner gewählt werden. Insbesondere kann der Bereich zur linienförmigen Auflage bis zur Mindestbreite der Ablageleiste (AL) gewählt werden. In diesem Beispiel werden 6 Auflagelinien dargestellt, da es unter Umständen je nach Bauteilgeometrie vorteilhaft sein kann auch in den Mittelbereichen weitere Auflagelinien vorzusehen, da es beispielsweise zu Durchbiegungen kommen kann. Dies ist aber unabhängig von der Ofenart, d.h. dies kann auch bei Durchlauföfen vorteilhaft sein.
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Selbstverständlich sind derartige punktförmige Auflagen auch dadurch erzielbar, dass nur der Kantenbereich des Flansches in Richtung auf den Kettenförderer verbogen wird oder Sicken, ob es nun punktförmige Sicken oder linienförmige Sicken sind, aufgebracht werden. Erfindungsgemäß können alle diese geringfügigen Umformungen ohne Gefahr der Mikrorissbildung im Formhärtewerkzeug in heißem Zustand in den gewünschten Zustand gebogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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