EP3497251B1 - Verfahren zum formen und härten von stahlwerkstoffen - Google Patents

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EP3497251B1
EP3497251B1 EP17736614.3A EP17736614A EP3497251B1 EP 3497251 B1 EP3497251 B1 EP 3497251B1 EP 17736614 A EP17736614 A EP 17736614A EP 3497251 B1 EP3497251 B1 EP 3497251B1
Authority
EP
European Patent Office
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pipe
tool
cooling
temperature
hardening
Prior art date
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Active
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EP17736614.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3497251A1 (de
Inventor
Karl Michael Radlmayr
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Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Metal Forming GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Metal Forming GmbH filed Critical Voestalpine Metal Forming GmbH
Publication of EP3497251A1 publication Critical patent/EP3497251A1/de
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Publication of EP3497251B1 publication Critical patent/EP3497251B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
    • C21D8/105—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies of ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a method for shaping and hardening steel materials.
  • Hardened steel components have the advantage, particularly in the body shop of motor vehicles, that their outstanding mechanical properties make it possible to create a particularly stable passenger cell without having to use components that are much more massive and therefore heavier under normal strength.
  • Steel grades which can be hardened by quench hardening are used to produce hardened steel components of this type.
  • Such types of steel are, for example, boron-alloyed manganese boron steels, the most widely used, here being the 22MnB5.
  • Other boron-alloyed manganese carbon steels are also used for this.
  • the steel material In order to produce the components hardened from these types of steel, the steel material must be heated to the austenitizing temperature (> Ac 3 ) and waited until the steel material is austenitized. Depending on the desired degree of hardness, partial or full austenitization can be achieved here.
  • a sheet steel plate is separated from a steel strip, for example. cut or punched and then deep-drawn to the finished component in a conventional, for example five-step, deep-drawing process.
  • This finished component is dimensioned somewhat smaller in order to compensate for subsequent thermal expansion during austenitizing.
  • the component produced in this way is then austenitized and then placed in a form hardening tool, in which it is pressed, but not or only very slightly reshaped, and the heat flows from the component into the pressing tool due to the pressing, with the pressure exceeding the critical hardening speed Speed.
  • the further procedure is the so-called press hardening, in which a blank is separated from a sheet steel strip, for example. is cut or punched, the board is then austenitized and the hot board is shaped at a temperature below 782 ° C. in a preferably one-step step and at the same time cooled at a rate above the critical hardening rate.
  • mold hardening is also referred to as an indirect process and press hardening as a direct process.
  • the advantage of the indirect process is that more complex workpiece geometries can be realized.
  • the advantage of the direct process is that a higher degree of material utilization can be achieved.
  • the achievable component complexity is lower, especially in the one-step forming process.
  • sheet steel components in that a cavity is formed and this cavity is blown or inflated into a desired shape or into a shape with a medium under pressure in order to achieve a final shape.
  • This process is also known as hydroforming.
  • a method and a device for hardening profiles is known.
  • This method is designed in particular for open profiles, the component being heated at least in some areas to a temperature above the austenitizing temperature of the base material and the component being cooled after heating up at a rate which is above the critical rate of hardening, the energy required for the heating is at least partially introduced by induction, free edges being arranged in the component for setting a temperature and / or hardness gradient over the cross section of the component, the size, type and extent of the edges being arranged in a manner coordinated with a desired hardness degree and / or hardness gradient. These edges have the effect that an increase in the current flow density occurs at edges with inductive heating, so that heating can be carried out very quickly in these areas, at least faster than in flat areas.
  • a method of making tapered hollow steel material casings by blow molding in which a preheated hollow casing block is inserted into a blow molding tool, preferably above the austenitizing temperature, and is molded by pressing it against the inner walls of the tool by indenting a heated pressurized medium is expanded into the interior of the cavity of the hollow housing, the hollow housing being rapidly cooled in a subsequent step in a process suitable for quenching the steel material by removing the heated medium present in the hollow housing by a pressurized cooling Medium replaced and by passing a cooling medium through the molding tool to bring about cooling.
  • the object of the invention is to provide a method for forming and hardening galvanized steel pipes, with which steel pipes can be reliably and crack-free produced.
  • galvanized pipes were considered to be non-microcrackable and hardenable without using internal high-pressure forming processes. If such galvanized pipes or pipe components are formed on the inside by high pressure, microcracks always result to a very large extent, so that, in contrast to other shaping processes, the press hardening process or form hardening process could not be used for pipe components.
  • the inventors have recognized that the microcrack-free shaping of pipe components is successful if a special temperature and process control are carried out.
  • tubular components are prefabricated and pre-bent, pre-squeezed or pre-shaped in some other way analogous to the known hydroforming process.
  • These tubes are then austenitized, which means that they are brought to a temperature above AC 3 and held there until a desired degree of austenitization is reached.
  • the tube is then allowed to passively cool to temperatures between 400-650 ° C. or is actively cooled.
  • This cooling can take place in that the component is transferred to the internal high-pressure forming tool and thereby passively cools in air or, if necessary, the tool is actively cooled after the austenitizing furnace, for example by blowing or spraying with suitable cooling media and then transferred to the internal high-pressure forming tool.
  • Such active cooling takes place at> 5 K / sec, preferably> 10 K / sec, particularly preferably> 20 K / sec, cooling rate.
  • the tube is then finally formed, a medium under pressure being pressed into the tube, so that a known internal high-pressure forming is achieved.
  • this shaping is carried out using a temperature-controlled medium.
  • the medium has a temperature of 400-650 ° C, for example.
  • the tempered medium preferably having a temperature that corresponds to the temperature of the pipe to be formed and is at least so high that the martensite starting temperature (Ms) of the steel alloy used is exceeded.
  • the curing then takes place according to the invention, wherein the curing according to the invention can be carried out in different ways.
  • the internal high pressure forming is carried out in a warm tool with the warm pressurized forming medium.
  • the component thus formed is then removed from the tool and passively cooled in air if the cooling in air is sufficient to reach the critical cooling rate of the steel material, so that martensitic hardening is ensured.
  • This passive cooling is primarily dependent on the sheet thickness, with thinner sheet thicknesses of approximately 1 mm, passive cooling in air may be sufficient to achieve the critical cooling rate.
  • the hot pressurized medium is again used in the hot tool and the tube is subsequently transferred to a cold mold hardening tool.
  • the contour of the tool cavity corresponds exactly to the outer contour of the pipe, so that when the tool is closed, the tool is in full contact with the pipe on all sides and quench hardening is thereby achieved.
  • Cold in the sense of the invention means that the martensite starting temperature of the selected steel material is at least 50 ° C below, ie Ms - 50 ° C.
  • the forming is carried out in the warm tool with the aid of the heated forming medium under pressure, but after the forming has taken place, a cold medium is passed through the tube, so that the martensitic hardening by exceeding the critical quenching speed by the cooling with the cold medium is achieved.
  • a pressurized, warm gaseous medium and the quenching process with a cold gaseous medium, but also with a liquid, cold medium.
  • the temperature of the cold medium is preferably the martensite start temperature of the material, that is, Ms - 50 ° C.
  • the pipes generally have an inlet and an outlet.
  • Pipes in the sense of the invention are not only understood to mean cylindrical pipes, but any form of elongated hollow bodies made of sheet steel, in particular structural components, side members, reinforcements, sills and similar structural components, in particular of motor vehicles.
  • a material which, like the materials of the prior art, is hardenable and in particular a hardenable boron-manganese steel such as e.g. a steel material of type 22MnB5 or 20MnB8 or comparable.
  • Such steel sheets can be provided with a zinc layer, a zinc alloy layer and in particular a zinc iron layer.
  • a so-called galvannealed coating is preferred, ie, a zinc coating pre-reacted by tempering on a steel sheet, which consists of zinc-iron phases and is also resistant to the blowing in of a pressure medium.
  • An austenitized tube 11 is inserted into a mold 2, the tube 1 being composed, for example, of two sheets 3, the sheets each having a corresponding access 5 in the area of a gas supply and discharge to a cavity 4 formed by the sheets.
  • tempered gas for example gas tempered to 400-650 ° C.
  • the tube 1 expands into the mold 2, so that the completely preformed blank is produced.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und Härten von Stahlwerkstoffen.
  • 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 Manganborstähle, 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 Rm 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 erreichbare Bauteilkomplexität vor allem beim einstufigen Umformprozess geringer.
  • Zudem ist es bekannt, Stahlblechbauteile dadurch zu formen, dass ein Hohlraum gebildet wird und dieser Hohlraum mit einem unter Druck stehenden Medium zu einer gewünschten Form bzw. in eine Form eingeblasen bzw. aufgeblasen wird, um eine endgültige Form zu erzielen. Dieses Verfahren wird auch als Innenhochdruckumformung bezeichnet.
  • Aus der DE 10 2009 040 935 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen bekannt, wobei wenigstens zwei Einzelteile zu einem Halbzeug verlötet oder verschweißt werden und anschließend das Halbzeug warmumgeformt wird, wobei ein Hohlraum des Halbzeugs geschlossen ist oder geschlossen wird und dass das auf die Austenitisierungstemperatur erwärmte Halbzeug mittels eines in den Hohlraum eingelassenen, unter Druck stehenden Mediums gegen die Innenwände eines Formwerkzeugs expandiert wird. Die erforderliche Abschreckung zum Zwecke der Erhärtung soll mittels eines Abkühlmediums erfolgen, wobei das zum Abschrecken verwendete Abkühlmedium durch den Hohlraum des Halbzeugs hindurchführbar ist.
  • Aus der EP 1 015 645 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen abgeschrägter dünnwandiger hohler Metallgehäuse durch Blasformen bekannt, wobei auch hier vorzugsweise über die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird und die Hohlstruktur gegen die inneren Wände des Werkzeugs durch das Einführen eines erhitzten, unter Druck gesetzten Mediums in das Innere des Hohlraums des hohlen Gehäuses expandiert wird, wobei in einem nachfolgenden Schritt das geformte hohle Gehäuse rasch in einem Vorgang abgekühlt wird, um eine Härtung herbeizuführen. Hierbei wird das dominierende erwärmte Medien in dem hohlen Gehäuse durch ein unter Druck gesetztes kühlendes Medium ersetzt.
  • Aus der DE 10 2004 054 795 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen, sowie Karosseriebauteilen, bekannt, wobei ein Materialverbund aus zwei miteinander verbundenen Blechen mindestens einem Umformvorgang unterworfen wird, wobei der Materialverbund warmumgeformt und zumindest ein härtbares vorlegiertes Blech bei geschlossenen Formwerkzeughälften einer in-situ-Presshärtung unterzogen wird.
  • Aus der DE 10 2006 020 623 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus sogenannten Talered Blanks bekannt, bei dem bei dem Verfahren das Halbzeug in einem Umformwerkzeug eingelegt wird und das Halbzeug aus zumindest zwei, zumindest teilweise übereinander liegenden Blechen besteht und wobei eine härtbare Stahllegierung für ein Blech des Halbzeugs verwendet wird und das Halbzeug in einer Erwärmungsstation auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur der Legierung erwärmt wird, wobei die Bleche vor dem Einlegen in die Presse oder in der Presse durch ein Schmieden miteinander fest verbunden werden.
  • Aus der DE 10 2007 018 395 B4 ist ein Innenhochdruckumformverfahren bekannt, bei dem eine Hohlstruktur aus härtbaren Stahlblechen durch ein Gas unter Druck, welches in den Innenraum zwischen den Blechen strömt, expandiert wird, wobei das Werkstück sich in einem gekühlten Umformwerkzeug befindet und das Werkstück in einem Zug durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur dieses Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeuges von außen in demselben Werkzeug umgeformt und gehärtet wird, wobei der Gasdruck im Werkstück durch Relativbewegung eines Pressenoberteils und Fließrichtung des Umformwerkzeugs erzeugt wird und durch einen Druckübersetzer verstärkt wird.
  • Aus der DE 10 2007 043 154 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Profilen bekannt. Dieses Verfahren ist insbesondere für offene Profile ausgebildet, wobei das Bauteil zumindest Teilbereichsweise auf einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Grundwerkstoffs aufgeheizt wird und das Bauteil nach dem Aufheizen mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, wobei die für die Erwärmung notwendige Energie zumindest teilweise durch Induktion eingebracht wird, wobei in den Bauteil zur Einstellung eines Temperatur- und/oder Härtegradienten über den Querschnitt des Bauteils freie Kanten angeordnet werden, wobei Größe, Art und Ausdehnung der Kanten auf einen gewünschten Härtegrad und/oder Härtegradienten abgestimmt angeordnet werden. Diese Kanten haben den Effekt, dass es an Kanten bei induktiver Erwärmung zu einer Erhöhung der Stromflussdichte kommt, sodass in diesen Bereichen die Erwärmung gezielt sehr schnell durchgeführt werden kann, zumindest schneller als in ebenen Bereichen.
  • Aus der DE 698 035 88 T2 ist ein Verfahren zum Herstellen von abgeschrägten hohlen Gehäusen aus Stahlmaterial durch Blasformen bekannt, wobei ein vorgewärmter hohler Gehäuseblock vorzugsweise über der Austenitisierungstemperatur in ein Blasformwerkzeug eingeführt wird und geformt wird, indem er gegen die inneren Wände des Werkzeugs durch das Eindrücken eines erhitzten unter Druck gesetzten Mediums in das Innere des Hohlraums des hohlen Gehäuses expandiert wird, wobei das hohle Gehäuse in einem nachfolgenden Schritt rasch in einem Vorgang abgekühlt wird, der für das Abschrecken des Stahlmaterials geeignet ist, indem das vorhandene erwärmte Medium in dem hohlen Gehäuse durch ein unter Druck gesetztes kühlendes Medium ersetzt wird und indem ein kühlendes Medium durch das Formwerkzeug geführt wird, umso ein Kühlen zu bewirken.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Umformen und Härten von verzinkten Stahlrohren zu schaffen, mit dem zuverlässig und rissfrei gehärtete Stahlrohre hergestellt werden können.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bislang galten verzinkte Rohre als nicht mit Innenhochdruckumformverfahren mikrorissfrei umformbar und härtbar. Werden derartige verzinkte Rohre bzw. Rohrbauteile innen hochdruckumgeformt, ergeben sich immer Mikrorisse in sehr großem Ausmaß, so dass im Gegensatz zu anderen Formgebungsverfahren das Presshärteverfahren bzw. Formhärteverfahren für Rohrbauteile nicht anwendbar war.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass die mikrorissfreie Umformung von Rohrbauteilen dann gelingt, wenn man eine spezielle Temperatur und Verfahrensführung durchführt.
  • Erfindungsgemäß werden derartige Rohrbauteile vorgefertigt und analog des bekannten Innenhochdruckumformverfahrens vorgebogen, vorgequetscht oder in sonstiger Weise vorgeformt.
  • Anschließend werden diese Rohre austenitisiert, was bedeutet, dass die auf eine Temperatur oberhalb AC3 gebracht werden und dort solange gehalten werden, bis ein gewünschter Austenitisierungsgrad erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird anschließend das Rohr auf Temperaturen zwischen 400-650°C passiv abkühlen gelassen oder zwangsweise aktiv abgekühlt.
  • Diese Abkühlung kann dadurch erfolgen, dass das Bauteil in das Innenhochdruckumformwerkzeug überführt wird und dabei an Luft passiv abkühlt oder gegebenenfalls das Werkzeug nach dem Austenitisierungsofen beispielsweise durch Anblasen oder Ansprühen mit geeigneten Kühlmedien aktiv abgekühlt und dann in das Innenhochdruckumformwerkzeug überführt wird.
  • Eine derartige aktive Kühlung erfolgt mit > 5 K/sek bevorzugt > 10 K/sek besonders bevorzugt > 20 K/sek Abkühlgeschwindigkeit.
  • Anschließend wird das Rohr endumgeformt, wobei ein unter Druck stehendes Medium in das Rohr eingedrückt wird, so dass eine an sich bekannte Innenhochdruckumformung erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird jedoch diese Umformung mit einem temperierten Medium durchgeführt. Hierbei hat das Medium beispielsweise eine Temperatur von 400-650°C. Erfindungsgemäße hat sich nämlich herausgestellt, dass bei der Verwendung eines zu kalten Mediums, Teile des Rohres bereits einer Härtung unterzogen werden bevor die Endumformung stattgefunden hat. Dies bedeutet, dass eine vollständige Ausformung verhindert wird. Somit findet die Umformung mit einem temperiertem Medium statt, wobei das temperierte Medium vorzugsweise eine Temperatur besitzt, die der Temperatur des umzuformenden Rohres entspricht und zumindest so hoch ist, dass die Martensit-Starttemperatur (Ms) der verwendeten Stahllegierung überschritten ist.
  • Anschließend erfolgt erfindungsgemäß die Härtung, wobei die erfindungsgemäße Härtung unterschiedlich durchgeführt werden kann.
  • Bei einer ersten erfindungsgemäßen Variante erfolgt die Innenhochdruckumformung in einem warmen Werkzeug mit dem warmen unter Druck stehenden Umformmedium. Anschließend wird das so umgeformte Bauteil aus dem Werkzeug entnommen und passiv an Luft abkühlen gelassen, wenn die Abkühlung an Luft ausreicht, die kritische Abkühlgeschwindigkeit des Stahlmaterials zu erreichen, so dass eine martensitische Härtung sichergestellt ist.
  • Diese passive Abkühlung ist vor allem Blechdickenabhängig bei dünneren Blechstärken von in etwa 1 mm kann eine passive Abkühlung an Luft ausreichend sein um die kritische Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen.
  • Bei einer Blechdicke von beispielsweise 3 mm kann eine aktive Abkühlung durch geeignete Kühlmedien erforderlich sein um diese Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen.
  • Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Variante wird wiederum im warmen Werkzeug mit dem warmen unter Druck stehenden Medium umgeformt und anschließend das Rohr in ein kaltes Formhärtewerkzeug überführt. In diesem kalten Formhärtewerkzeug entspricht der Werkzeughohlraum von der Kontur her exakt der Außenkontur des Rohres, so dass beim Schließen des Werkzeuges das Werkzeug allseitig an dem Rohr vollflächig anliegt und hierdurch eine Abschreckhärtung erzielt wird. "Kalt" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Martensit-Starttemperatur des gewählten Stahlmaterials um mindestens 50 °C unterschritten wird, also Ms - 50°C.
  • Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, erfolgt die Umformung im warmen Werkzeug unter Zuhilfenahme des unter Druck stehenden erwärmten Umformmediums, wobei jedoch nach erfolgter Umformung ein kaltes Medium durch das Rohr geleitet wird, so dass die martensitische Härtung durch Überschreiten der kritischen Abschreckgeschwindigkeit durch die Kühlung mit dem kalten Medium erzielt wird. Hierbei ist es technologisch möglich, den Innenhochdruckumformvorgang mit einem unter Druck stehenden, warmen gasförmigen Medium durchzuführen und den Abschreckvorgang mit einem kalten gasförmigen Medium, jedoch auch mit einem flüssigen, kalten Medium. Auch hier beträgt die Temperatur des kalten Mediums bevorzugt die Martensit-Starttemperatur des Materials, also Ms - 50°C.
  • Die Rohre haben hierzu generell einen Zu- und einen Ablauf.
  • Unter Rohren im Sinne der Erfindung werden nicht nur zylindrische Rohre verstanden, sondern jede Form von langgestreckten Hohlkörpern aus Stahlblech, insbesondere Strukturbauteile, Längsträger, Verstärkungen, Schweller und dergleichen Strukturbauteile, insbesondere von Kraftfahrzeugen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Werkstoff verwendet, der wie die Werkstoffe des Standes der Technik härtbar ist und insbesondere ein härtbarer Bor-Mangan-Stahl wie z.B. ein Stahlwerkstoff des Typs 22MnB5 oder 20MnB8 oder vergleichbar.
  • Derartige Stahlbleche können mit einer Zinkschicht, einer Zinklegierungsschicht und insbesondere einer Zinkeisenschicht versehen sein.
  • Insbesondere wird eine so genannte Galvannealed-Beschichtung bevorzugt, d.h., eine durch Tempern vorreagierte Zinkbeschichtung auf einem Stahlblech, die aus Zink-Eisen-Phasen besteht und auch gegen das Einblasen von einem Druckmedium beständig ist.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Die einzige Figur zeigt den Verfahrensablauf mit den beiden Verfahrensvarianten.
  • Ein austenitisiertes Rohr 1 1 wird hierbei in eine Form 2 eingelegt, wobei das Rohr 1 beispielsweise aus zwei Blechen 3 zusammengesetzt ist, wobei die Bleche im Bereich einer Gaszuführung und -abführung zu einem durch die Bleche gebildeten Hohlraum 4 je einen entsprechenden Zugang 5 besitzt. Nachdem temperiertes Gas, beispielsweise auf 400-650°C temperiertes Gas in den Hohlraum 4 eingefüllt ist, expandiert das Rohr 1 in die Form 2, so dass der vollständig vorgeformte Rohling erzeugt wird. Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass es gelingt, rohrartige Bauteile aus einem härtbaren Stahl mit Zinkbeschichtung zuverlässig mikrorissfrei zu erzeugen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Innenhochdruckumformen und Härten von verzinkten Rohren aus Stahlblech, wobei ein vorerzeugtes Rohr verwendet wird, wobei das Rohr zumindest eine Zuführöffnung (5) besitzt und einen Hohlraum (4), wobei das Rohr auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur (AC3) der jeweiligen Stahllegierung erhitzt wird, und nach Erreichen eines gewünschten Austenitisierungsgrades in ein Innenhochdruckumformwerkzeug eingelegt wird und mit einem unter Druck stehenden Medium beaufschlagt wird, welches durch die zumindest eine Zuführöffnung (5) in den Hohlraum (4) eingedrückt wird bis das Rohr eine vorgegebene Form (2) des Werkzeuges ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug auf eine Temperatur zwischen 400-650°C insbesondere 450-550°C erwärmt ist und das Druckmedium ebenfalls erwärmt ist und eine Temperatur von 400-650°C besitzt, wobei das Rohr nach dem Austenitisieren auf eine Temperatur von 400-600°C jedoch eine Temperatur oberhalb der Martensit-Starttemperatur (Ms) der gewählten Stahllegierung passiv abkühlen gelassen wird oder aktiv abgekühlt wird, und die Abkühlung des Rohres zum Zwecke der Härtung erst nach der Ausformung im Formwerkzeug erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Härtung des ausgeformten Rohres das Rohr aus dem warmen Werkzeug entnommen und an Luft passiv abkühlen gelassen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Härtung das ausgeformte Rohr aus dem warmen Werkzeug entnommen und in ein kaltes Formwerkzeug überführt wird, wobei der Formenhohlraum des Formwerkzeuges der äußeren Kontur des ausgeformten Rohres im Wesentlichen entspricht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rohr nach dem Ausformen im warmen Werkzeug verbleibt und mit einem kalten Kühlmedium gespült wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des kalten Formwerkzeuges vor dem Einlegen des heißen Werkstückes mindestens 50° C unter der Martensitsstarttemperatur des eingelegten Stahlmaterials liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Austenitisierungsofen durch Anblasen oder Ansprühen mit geeigneten Kühlmedien aktiv abgekühlt wird und dann in das Innenhochdruckumformwerkzeug überführt wird, wobei eine derartige aktive Kühlung mit mehr als 5 K/s, bevorzugt mit mehr als 10 K/s und besonders bevorzugt mehr als 20 Kelvin pro Sekunde Abkühlgeschwindigkeit durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung und Härtung bei einen umgeformten Bauteil dadurch erfolgt, dass das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen und passiv an Luft abkühlen gelassen wird, wenn die passive Abkühlung an Luft ausreicht um die kritische Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen, insbesondere bei Blechstärken von 1mm und weniger und bei Blechdicken von 1,5mm und mehr eine aktive Abkühlung durch geeignete Kühlmedien erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Werkstück ein härtbarer Bor-Mangan-Stahl verwendet wird, insbesondere ein Stahlwerkstoff des Typs 22MnB5 oder 20MnB8.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff mit einer metallischen Beschichtung, insbesondere einer Zinkschicht, einer Zinklegierungsschicht, einer Aluminiumschicht, einer Aluminiumlegierungsschicht und insbesondere einer Zinkeisenschicht ausgebildet ist.
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