WO2022078693A1 - Verfahren zur Umformung eines Halbzeugs und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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WO2022078693A1
WO2022078693A1 PCT/EP2021/075277 EP2021075277W WO2022078693A1 WO 2022078693 A1 WO2022078693 A1 WO 2022078693A1 EP 2021075277 W EP2021075277 W EP 2021075277W WO 2022078693 A1 WO2022078693 A1 WO 2022078693A1
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martensite
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Sven Winter
Markus Werner
Mirko Bach
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method for forming a semi-finished product and a device for carrying out the method.
  • the semi-finished product consists of a low-alloy steel containing at least 0.2% by mass of carbon and at least 0.5% by mass of silicon.
  • other alloying elements with a total mass fraction of less than 5.0% by mass should be included.
  • silicon should be contained with a maximum of 2.5% by mass.
  • Low-alloy steels occupy a special position in the area of tension between effective lightweight construction using high-strength materials and cost-efficient, mass-produced production. Due to the small proportion or even the absence of cost-intensive alloying elements such as nickel,
  • Manganese, cobalt and boron are these steels of greatest interest. With the help of intelligent heat treatment strategies, such as tempering tailor-made and application-relevant strength and forming properties can be set. In the process, multi-phase structures made of, for example, martensite, bainite and ferrite/pearlite are also frequently produced in order to achieve the desired mechanical properties. However, there have so far been narrow limits with regard to the formability of these materials, especially in the highest-strength states with martensitic structures and strengths above 1500 MPa. Typically, low-alloy steels tempered in this way have elongations at break of only a few percent. The brittle failure behavior represents an essential limitation for both the use and the further processing of such steels.
  • microstructures that can be custom-made in this way, consisting of hard martensite and ductile, stabilized retained austenite, are the basis for the unconventional combination of properties with extreme strength (R m > 2000 MPa) and high ductility (A > 10%). Martensite formation is possible in the temperature range between martensite start and martensite finish temperatures. Below the martensite start temperature (M s ), partitioning (250 °C) can be carried out, which leads to stabilization of the retained austenite.
  • the high, constriction-free formability at moderately elevated forming temperatures represents enormous potential for the economical manufacture of complex components made of ultra-high-strength steels.
  • the high attractiveness is also due to the fact that neither the required alloying elements for the production of these Steel alloys nor the necessary heat treatment strategy would generate increased production costs on an industrial scale, since the Q&P heat treatment process is very similar in its handling to the conventional heat treatment of quenching and tempering.
  • the present invention should start here and enable the realization of different Q&P routes (different cooling rates, integrated partitioning and forming with variable strain rates) within a forming tool, in particular an active media-based forming tool for hydroforming (IHU), in order to thus produce tubes and hollow profiles with the highest strengths, to be able to produce locally, property-optimized and economically.
  • Q&P routes different cooling rates, integrated partitioning and forming with variable strain rates
  • IHU active media-based forming tool for hydroforming
  • various steels preferably manganese-boron steels; e.g. the 22MnB5
  • the steels are austenitized in a furnace (usually T > 900 °C), then in the tool inserted and quenched to below the Mf temperature during the forming process.
  • T > 900 °C the furnace temperature
  • the already formed workpiece must be removed from the tool above the Mf temperature (approx. 200 °C) and placed directly in a furnace for a defined temperature.
  • the thermal input leads to distortion, which consequently has a very negative effect on the component quality, especially if locally different degrees of deformation result from the deformation.
  • Claim 8 relates to a device for carrying out the method.
  • Advantageous embodiments and developments can have features identified in the dependent claims will be realized.
  • the procedure is such that the semi-finished product, which has at least its austenitization temperature, is placed in an at least two-part forming tool and while maintaining a cooling rate of between at least 30 K/s and a maximum of 100 K/s and an increased strain rate of between 1 1/s and 100 1/s s is roughly reshaped.
  • Ms martensite start temperature
  • the cooling rate and strain rate in the semi-finished product should change.
  • the forming is continued with a strain rate of less than 0.1 1/s (responsible for an additionally increased formability) and the semi-finished product is slowly formed close to the final shape.
  • the cooling rate must be reduced to a value of less than 10 K/s so that there is sufficient time between the martensite start and finish temperatures for a diffusion-controlled, homogeneous distribution of the carbon in the volume of the semi-finished product.
  • the forming process ends when the temperature falls below the martensite finish.
  • a formed workpiece obtained from the semi-finished product is removed from the tool after it has reached a temperature that is lower than the martensite finish temperature (MF) of the material.
  • MF martensite finish temperature
  • the martensite start temperature is the temperature at which martensite formation begins during cooling. It is greater than the martensite finish temperature at which martensite formation stops after further cooling.
  • Forming and temperature treatment are therefore carried out within one forming tool.
  • the contour of the workpiece that is achieved after the forming can also be retained during the temperature treatment, in which essentially only the diffusion compensation of carbon in the material volume of the already formed workpiece takes place, since it is still in the forming tool and cannot be distorted.
  • the increased strain rate that should be maintained above the martensite start temperature must be significantly higher than the strain rate that should be maintained during martensite formation.
  • the respective cooling rate can be changed in particular by varying the surface pressure between the surface of the semi-finished product and the surface of the tool. This is also possible alone or in addition to this by alternating the thermal conductivity of the forming tool from isotropic to anisotropic.
  • the surface pressure can be influenced by locally specific compressive force effects between the touching surfaces of the semi-finished product and the forming tool.
  • Switching from anisotropic to isotropic thermal conductivity on the tool can be achieved, for example, with so-called switchable coatings on the tool halves.
  • the orientation of the crystal lattice can be changed in a defined manner by applying an electrical voltage to the layer. This also leads to direction-dependent thermal properties (thermal conductivity) of the coating.
  • the local cooling rates on the semi-finished product can be influenced in a targeted manner by different levels of heat conduction in the forming tool.
  • the crystal lattice of the layer is aligned in such a way that very good heat conduction can take place between the forming tool and the semi-finished product.
  • the pressure of the compressed medium can be changed in a pulsed manner by changing the pressure increase inside the respective hollow profile or hollow body in order to actively influence the expansion rate and the cooling rate. You can choose the pulsing with different amplitudes.
  • the compressive forces acting on the surface of the semi-finished product can be alternately increased and decreased again several times. If the surface pressure is reduced, a previously deformed area of the respective semi-finished product can relax as a result of elastic recovery. Subsequent to this, if the surface pressure increases, the forming is carried out further and the cooling rate can be increased again.
  • a gas such as nitrogen or argon, but also a liquid, can be used as the medium to be compressed.
  • the forming tool can be cooled with an integrated cooling system.
  • the cooling system can advantageously be designed in such a way that areas of the tool with which forming or greater forming than in other areas of the semi-finished product are to be achieved are cooled more intensely. This can be achieved, for example, with cooling channels through which a cooling medium flows. A larger volume flow of cooling medium can be conducted through these cooling channels than in areas in which little or no deformation is to be achieved. Several smaller cooling channels can also be present there.
  • thermally insulating coating This can be a ceramic or glass-ceramic coating, for example.
  • workpieces made of low-alloy steel with improved properties can be obtained with appropriately designed and temperature-controlled forming tools by means of a controllable local heat exchange, which consequently causes different cooling and stretching rates in the material, by varying the internal pressure, the active medium, acting compressive forces and other parameters will.
  • a forming tool should not be isothermal, but should be temperature-controlled.
  • pipes, hollow bodies or hollow profiles can be the focus of the forming achieved with the invention as workpieces, and this can also be transferred to forming tools for sheet metal production.
  • Pressure-controlled heat transfer resistance in the semi-finished product can be locally different and variable cooling rates, such as high cooling rates with high surface pressure, can be realized if high internal pressure during hydroforming or compressive forces act on the forming tool.
  • the cooling rate can also be influenced via "switchable heat conduction" by means of a tool coating.
  • a tool coating For this purpose, new types of tool steel and coatings can be used on a forming tool, which increase or reduce the heat transfer or heat conduction as a function of the direction (longitudinal , cross) allow, so that different areas of a forming tool with different isotropic or anisotropic heat conduction can be obtained.
  • Suitable sensors can be provided for controlled forming conditions (pressure, temperature, strain rate, eddy current testing for material conversion) in order to specifically monitor, control and, if necessary, regulate the properties in the material or a possible property grading, with which in particular the temperature profile over time at to be formed or formed semi-finished product and the currently achieved degree of deformation or the currently achieved deformation can be detected.
  • controlled forming conditions pressure, temperature, strain rate, eddy current testing for material conversion
  • the Q&P heat treatment for steels intended for this purpose (silicon content > 0.5% by mass) for semi-finished products.
  • the aim is to achieve rapid cooling (>30 K/s) from a temperature that is lower than the austenitizing temperature to a Temperature that is slightly lower than the martensite start temperature to realize.
  • a significantly lower cooling rate (as low as possible; at least ⁇ 10 K/s) must then be set (with the modifications mentioned) so that the semi-finished product in the forming tool, which is still closed, is under pressure and surface pressure (therefore only minimal to no component distortion).
  • the target here is a time of 30 s to 180 s
  • the semi-finished product is quenched below the M s temperature with the specially modified forming tool and then at very low strain rates (10 3 to 0.1 1/s) and a significantly reduced cooling rate (as low as possible; ⁇ 10 K/s) further formed before the Mf temperature is undershot.
  • the significantly increased formability during partitioning can be used, for example, for significantly better forming of secondary form elements on the workpiece and for calibrating tight radii.
  • the invention makes it possible for the first time to implement the Q&P process route within a forming tool and thus to obtain high-strength workpieces with very high ductility.
  • locally defined different cooling rates and consequently application-optimized, locally defined property profiles can be generated by the planned modifications to the forming tool in the workpiece formed according to the invention. Due to the targeted and slow forming between M s and Mf temperatures, very high degrees of forming can also be achieved for the forming of additional secondary form elements can be realized. There is no separate partitioning in an oven.
  • the workpiece remains surrounded by the forming tool and supported by the internal pressure or pressure forces of the forming tool, so unwanted and uneven distortion can be reduced to a minimum and this can be determined in advance and kept in the tool engraving, so that a very high component quality/precision is achieved.
  • each workpiece can be formed with exceptional and locally optimized property profiles.
  • the extreme strength combined with very high ductility of the workpieces predestines them for any crash-relevant application in the automotive industry due to their very high energy absorption.
  • the workpieces With a single-stage forming tool for the complete Q&P route, the workpieces can also be manufactured with very short process times and with very good dimensional accuracy due to the permanently applied surface pressure. Machines that are already established for large series can also be adapted and expanded for the Q&P route.

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Umformung eines aus einem niedriglegierten Stahl, in dem mindestens 0,2 Masse-% Kohlenstoff und mindestens 0,5 Masse-% Silizium enthalten sind, gebildeten Halbzeugs wird das mindestens seine Austenitisierungstemperatur aufweisende Halbzeug in ein Umformwerkzeug eingesetzt und bei Einhaltung einer Kühlrate zwischen mindestens 30 K/s und maximal 100 K/s und einer erhöhten Dehnrate zwischen 1/s und 100 1/s grob umgeformt, bis die Martensit-Start-Temperatur unterschritten worden ist. Nach Erreichen einer Halbzeugtemperatur, die kleiner als die Martensit-Start- Temperatur ist, wird die Umformung mit einer Dehnrate kleiner 0,1 1/s fortgeführt und das Halbzeug langsam endkonturnah ausgeformt und die Abkühlrate auf einen Wert kleiner 10 K/s reduziert, so dass zwischen der Martensit- Start und Finish-Temperatur eine diffusionskontrollierte homogene Verteilung des Kohlenstoffs im Halbzeugvolumen erreicht wird und der Umformvorgang bei dem unterschreiten der Martensit-Finish-Temperatur beendet wird.

Description

Verfahren zur Umformung eines Halbzeugs und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung eines Halbzeugs und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei besteht das Halbzeug aus einem niedriglegierten Stahl, in dem mindestens 0,2 Masse-% Kohlenstoff und mindestens 0,5 Masse-% Silizium enthalten sind. Außer diesen sollten weitere Legierungselemente mit einem Gesamtmassenanteil kleiner 5,0 Mas- se-% enthalten sein. Silizium sollte aber mit maximal 2,5 Masse-% enthalten sein.
Im Spannungsfeld zwischen effektivem Leichtbau mit Hilfe von höchstfesten Werkstoffen und kosteneffizienter, massentauglicher Produktion nehmen niedriglegierte Stähle eine besondere Stellung ein. Durch den geringen Anteil oder sogar das Fehlen von kostenintensiven Legierungselementen, wie Nickel,
Mangan, Kobalt und Bor sind diese Stähle von höchstem Interesse. Mithilfe von intelligenten Wärmebehandlungsstrategien, wie dem Vergüten können maßgeschneiderte und anwendungsrelevante Festigkeits- und Umformeigenschaften eingestellt werden. Dabei werden häufig auch mehrphasige Gefüge aus beispielsweise Martensit, Bainit und Ferrit/Perlit erzeugt, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Allerdings sind insbesondere bei höchstfesten Zuständen mit martensitischen Gefügen und Festigkeiten oberhalb von 1500 MPa bislang enge Grenzen hinsichtlich der Umformbarkeit dieser Werkstoffe vorhanden. Typischerweise besitzen derart vergütete, niedriglegierte Stähle Bruchdehnungen von nur einigen wenigen Prozent. Das spröde Versagensverhalten stellt eine essentielle Einschränkung sowohl für den Einsatz als auch die Weiterverarbeitung solcher Stähle dar. In den vergangenen etwa 15 Jahren wurde eine Wärmebehandlungsstrategie erforscht, die es erlaubt, ultrahochfeste niedriglegierte Stähle mit vergleichsweise sehr hoher Umformbarkeit zu erzeugen. Mit Hilfe der „Quenching- and Partitioning" (Q&P)-Wärmebehandungsstrategie werden niedriglegierte Vergütungsstähle durch die Erzeugung von Mikrostrukturen, die eine Mischung aus Martensit und Restaustenit enthalten, so optimiert, dass außergewöhnliche Eigenschaftskombinationen eingestellt werden. Bei den Q&P-Stählen kann grundsätzlich auf kostenintensive Legierungselemente verzichtet werden, lediglich Kohlenstoff und ein ausreichender Gehalt an Silizium (ca. 1 - 2,5 Masse-%) sind für die Realisierung dieser Wärmebehandlungsstrategie erforderlich. Silizium verhindert dabei effektiv die Bildung von Eisenkarbiden, sodass der vorhandene Kohlenstoff für die Stabilisierung des Restaustenits zur Verfügung steht. Die Q&P-Verarbeitung beginnt typischerweise mit dem Aus- tenitisieren, gefolgt von einem Abschrecken (Quenching) unterhalb der Mar- tensit-Start-Temperatur des untersuchten Stahls. Die Abschrecktemperatur (etwa 200 °C und damit oberhalb der Martensit-Finish-Temperatur) wirkt sich direkt auf den Anteil des Restaustenits aus. Die anschließende, dem klassischen Anlassen ähnliche, Wärmebehandlung beinhaltet die diffusionskontrollierte Verteilung (Partitioning) des Kohlenstoffs von übersättigtem Martensit hin zum Restaustenit, was zu seiner (teilweisen) Stabilisierung führt. Die damit maßgeschneidert erzeugbaren Gefüge, bestehen aus hartem Martensit und duktilem, stabilisierten Restaustenit, sind die Grundlage für die unkonventionellen Eigenschaftskombinationen mit extremen Festigkeiten (Rm > 2000 MPa) und hoher Duktilität (A > 10 %). In dem Temperaturbereich zwischen Marten- sit-Start- und Martensit-Finish-Temperatur ist eine Bildung von Martensit möglich. Unterhalb der Martensit-Start-Temperatur (Ms) kann eine Partitionierung (250 °C), die zur Stabilisierung des Restaustenits führt, durchgeführt werden. Unabhängig davon hat sich gezeigt, dass sich die Umformbarkeit eines Q&P- wärmebehandelten Stahls ab einer moderat erhöhten Umformtemperatur (200 °C bis 250 °C) in Kombination mit einer geringen Umformgeschwindigkeit (Dehnrate < 0,1 1/s) um ein Vielfaches steigern lässt, sodass Bruchdehnungen von knapp 25 % erreicht werden können. Bemerkenswert ist dabei, dass diese Erhöhung der Umformbarkeit durch eine geringe und nahezu konstante Verfestigungsrate ohne einen nennenswerten Verlust an Festigkeit erreicht werden kann. Dieses mechanische Verhalten lässt sich durch ein komplexes Zusammenspiel von teils thermisch aktivierbaren Verformungsmechanismen innerhalb der unterschiedlichen Gefügebestandteile (Martensit und Restaustenit) mikrostrukturell erklären und damit werkstofftechnisch gezielt weiter optimieren und für die Anwendung nutzbar machen.
Insbesondere die hohe, einschnürungsfreie Umformbarkeit bei moderat erhöhten Umformtemperaturen stellt ein enormes Potenzial für die wirtschaftliche Herstellung komplexer Bauteile aus ultrahochfesten Stählen dar. Die hohe Attraktivität ist neben den exzellenten mechanischen Eigenschaften der Q&P Stähle auch dadurch gegeben, dass weder die benötigten Legierungselemente für die Erzeugung dieser Stahllegierungen noch die notwendige Wärmebehandlungsstrategie im industriellen Maßstab erhöhte Produktionskosten erzeugen würde, da der Q&P-Wärmebehandlungsprozess in seinem Handling der konventionellen Wärmebehandlung des Vergütens stark ähnelt.
Das Problem, das es jedoch für die Produktionstechnik zu lösen gilt, ist die Notwendigkeit sehr verschiedene Abkühlraten während des Prozesses zu realisieren. Ebenfalls ist die wirtschaftliche Integration der Partitionierung des Werkstoffes in die Prozesskette sehr herausfordernd. Für konventionelles Presshärten von Blechen gibt es bereits Ansätze die verfolgt werden, um diese Probleme anzugehen. Sollen jedoch Hohlprofile, wie Rohre oder andere Hohlkörper nach der Q&P-Route umgeformt werden, gibt es aktuell keine Möglichkeit das Abschrecken und die Partitionierung prozesssicher in einem Werkzeug zu realisieren. Eine langsame Umformung während der Partitionierung, um die Effekte der deutlich erhöhten Umformbarkeit auszunutzen, kann aktuell ebenfalls nicht durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung soll hier ansetzen und die Realisierung verschiedener Q&P-Routen (verschiedene Abkühlraten, integrierte Partitionierung und Umformung bei variablen Dehnraten) innerhalb eines Umformwerkzeugs, insbesondere eines wirkmedienbasierten Umformwerkzeuges für die Innenhochdruckumformung (IHU) ermöglichen, um somit Rohre und Hohlprofile mit höchsten Festigkeiten, lokal eigenschaftsoptimiert und wirtschaftlich fertigen zu können.
Aktuell können verschiedene Stähle (bevorzugt Mangan-Bor-Stähle; z. B. der 22MnB5) innerhalb eines Werkzeuges ausschließlich pressgehärtet werden, d.h., dass die Stähle in einem Ofen austenitisiert (in der Regel T > 900 °C), dann in das Werkzeug eingelegt und während des Umformprozesses bis unterhalb der Mf-Temperatur abgeschreckt werden. Falls eine zusätzliche Partitionierung für die Q&P-Route durchgeführt werden soll, dann muss das bereits umgeformte Werkstück oberhalb der Mf-Temperatur (ca. 200 °C) aus dem Werkzeug entnommen werden und direkt in einen Ofen für eine definierte Temperatur abgelegt werden. Der thermische Eintrag führt allerdings zu einem Verzug, was sich folglich sehr negativ auf die Bauteilqualität auswirkt, vor allem, wenn durch die Umformung lokal unterschiedliche Umformgrade resultieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben mit denen eine formgetreue Umformung von Halbzeugen aus niedriglegierten Stählen möglich wird und die erhaltenen umgeformten Werkstücke trotz fehlender kostenintensiver Legierungselemente eine erhöhte Festigkeit aufweisen, wobei dies mit einem geringen Aufwand für die Durchführung der Umformung verbunden sein sollte.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 8 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem Verfahren wird so vorgegangen, dass das mindestens seine Austenitisierungstemperatur aufweisende Halbzeug in ein mindestens zweiteiliges Umformwerkzeug eingesetzt und bei Einhaltung einer Abkühlrate zwischen mindestens 30 K/s und maximal 100 K/s und einer erhöhten Dehnrate zwischen 1 1/s und 100 1/s grob umgeformt wird. Dabei sollte bis zum Erreichen der Martensit-Start-Temperatur (Ms) eine Verformung erreicht werden, die mindestens 80 % der insgesamt durchzuführenden Verformung am Werkstück entspricht.
Ab Erreichen einer Halbzeugtemperatur, die maximal 20 % minimal 10 % kleiner als die Martensit-Start-Temperatur ist, soll sich die Abkühlrate und Dehnrate im Halbzeug ändern. Die Umformung wird dabei mit einer Dehnrate kleiner 0,1 1/s fortgeführt (verantwortlich für ein zusätzlich erhöhtes Umformvermögen) und das Halbzeug langsam endkonturnah ausgeformt. Die Abkühlrate muss auf einen Wert kleiner 10 K/s reduziert werden, sodass zwischen der Martensit-Start- und Finish-Temperatur genügend Zeit für eine diffusionskontrollierte homogene Verteilung des Kohlenstoffs im Halbzeugvolumen gegeben ist.
Der Umformvorgang ist bei dem unterschreiten der Martensit-Finish- Temperatur beendet. Ein aus dem Halbzeug erhaltenes umgeformtes Werkstück wird nach Erreichen einer Temperatur, die kleiner als die Martensit- Finish-Temperatur (MF) des Werkstoffs ist, aus dem Werkzeug entnommen.
Die Martensit-Start-Temperatur ist die Temperatur bei der bei einer Abkühlung die Martensitbildung beginnt. Sie ist größer als die Martensit-Finish- Temperatur, bei der die Martensitbildung nach einer weiteren Abkühlung beendet wird.
Umformung und Temperaturbehandlung werden also innerhalb des einen Umformwerkzeugs durchgeführt. Die nach der Umformung erreichte Kontur des Werkstücks kann auch während der Temperaturbehandlung, bei der im Wesentlichen nur noch der Diffusionsausgleich von Kohlnestoff im Werkstoffvolumen des bereits umgeformten Werkstücks erfolgt, erhalten bleiben, da es sich ja noch im Umformwerkzeug befindet und es sich nicht verziehen kann.
Die erhöhte Dehnrate, die oberhalb der Martensit-Start-Temperatur eingehalten werden sollte, muss deutlich höher sein, als die Dehnrate, die während der Martensitbildung eingehalten werden soll.
Die jeweilige Abkühlrate kann insbesondere durch Variation der Flächenpressung zwischen Halbzeugoberfläche und Werkzeugoberfläche verändert werden. Dies ist allein oder zusätzlich dazu auch durch eine alternierende Einstellung von isotroper zu anisotroper thermischer Leitfähigkeit des Umformwerkzeugs möglich.
Die Flächenpressung kann durch möglichst lokal spezifische Druckkraftwirkung zwischen den sich berührenden Oberflächen von Halbzeug und Umformwerkzeug beeinflusst werden.
Die Umschaltung von anisotroper zu isotroper thermischen Leitfähigkeit am Werkzeug kann beispielsweise mit sogenannten schaltbaren Beschichtungen der Werkzeughälften erreicht werden. Hierbei kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Schicht die Orientierung des Kristallgitters definiert verändert werden. Dies führt auch zu richtungsabhängigen thermischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit) der Beschichtung. So können gezielt die lokalen Abkühlraten am Halbzeug durch unterschiedlich starke Wärmeleitung in das Umformwerkzeug beeinflusst werden. Am Anfang des Prozesses wird dabei das Kristallgitter der Schicht so ausgerichtet, dass eine sehr gute Wärmeleitung zwischen Umformwerkzeug und Halbzeug stattfinden kann. Dies führt zu der gewünschten hohen Abkühlrate (zwischen 30 K/S - 100 K/s) des Halbzeugs. Beim Überschreiten der Martensit-Start-Temperatur wird dann die Kristallstruktur der Beschichtung durch die anliegende elektrische Spannung so verändert, dass sich eine wesentlich schlechtere Wärmeleitung (weniger als 10 W/mK) zwischen Umformwerkzeug und Halbzeug einstellt. Dies führt zu den deutlich geringeren Abkühlraten von unter 10 K/s, die für die Partitione- rung des Werkstoffes zwischen Martensit-Start- und Finish-Temperatur nötig sind.
Bei einer Umformung von als Hohlprofil oder Hohlkörper ausgebildeten Halb- zeugen kann mittels sich verändernder Druckerhöhung im Inneren des jeweiligen Hohlprofils oder Hohlkörpers der Druck des komprimierten Mediums gepulst verändert werden, um die Dehnrate und die Abkühlrate aktiv zu beeinflussen. Dabei kann man die Pulsung mit unterschiedlichen Amplituden wählen. Analog kann man, beispielsweise bei der Umformung von Blechen die auf die Oberfläche des Halbzeugs wirkenden Druckkräfte abwechselnd mehrfach erhöhen und wieder absenken. Bei einer Verringerung der Flächenpressung kann ein vorab verformter Bereich des jeweiligen Halbzeugs sich infolge elastischer Rückstellung relaxieren. Im Anschluss daran wird bei einer Erhöhung der Flächenpressung die Umformung weiter durchgeführt und die Abkühlrate kann wieder erhöht werden.
Es besteht dabei also die Möglichkeit den Druck des komprimierten Mediums und die Pulsdauer einzelner Druckpulse zu verändern und den jeweiligen erforderlichen Umformanforderungen und Abkühlraten im zeitlichen Verlauf unter Berücksichtigung der momentanen Temperatur des Halbzeugwerkstoffs anzupassen.
Als zu komprimierendes Medium kann man ein Gas, wie z.B. Stickstoff oder Argon aber auch eine Flüssigkeit einsetzen.
Im Temperaturbereich zwischen Martensit-Start- und Martensit-Finsih- Temperatur sollte bei der Umformung eine Dehnrate zwischen und 10-3 1/s und 0,1 1/s eingehalten werden.
Man kann das Umformwerkzeug mit einem integrierten Kühlsystem kühlen. Das Kühlsystem kann vorteilhaft so ausgebildet sein, dass Bereiche des Werkzeugs mit denen eine Umformung bzw. eine größere Umformung als in anderen Bereichen des Halbzeugs erreicht werden soll, stärker gekühlt werden. Dies kann beispielsweise mit Kühlkanälen erreicht werden, durch die ein Kühlmedium strömt. Durch diese Kühlkanäle kann ein größerer Volumenstrom an Kühlmedium geführt werden, als in Bereichen in denen keine oder nur eine geringe Umformung erreicht werden soll. Es können dort auch mehrere kleinere Kühlkanäle vorhanden sein.
An einer Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist, kann eine Einrichtung zur definierten Beeinflussung der Flächenpressung zwischen der umzuformenden Oberfläche des Halbzeugs und der zur Formgebung bei der Umformung des Halbzeugs ausgebildeten Werkzeugoberfläche und/oder zur aktiven Beeinflussung der richtungsabhängigen isotropen bzw. anisotropen thermischen Leitfähigkeit vorhanden sein.
Es besteht dabei auch die Möglichkeit, dass Oberflächenbereiche des Werkzeugs mit denen keine oder nur eine geringe Umformung durchgeführt werden soll, mit einer thermisch isolierenden Beschichtung versehen sind. Dies kann Beispielsweise eine keramische oder glaskeramische Beschichtung sein.
Mit der hier thematisierten Erfindung ist es möglich, während der Durchführung einer IHU oder der Umformung eines Bleches als Halbzeug die vollständige Q&P Wärmebehandlungsroute mit unterschiedlichen Abkühlraten und Dehnraten einstufig in einem Umformwerkzeug durchzuführen, sodass Werkstücke mit höchsten Festigkeiten (Rm » 1500 MPa) und Bruchdehnungen (A > 10 %), z. B. für crashrelevante Anwendungen mit sehr hohen nötigen Energieaufnahmen für das Bauteil, wirtschaftlich gefertigt werden können. Zusätzlich kann mit einem speziell modifizierten Werkzeug ein weiterer Prozessschritt realisiert werden, der eine zusätzlich Umformbarkeit des Werkstoffes erzielt und somit höhere Umformgrade des Werkstoffes innerhalb der Q&P-Route möglich macht.
Mit der Erfindung können mit entsprechend ausgebildeten und temperierten Umformwerkzeugen mittels eines steuerbarem lokalen Wärmeaustauschs, das folglich unterschiedliche Abkühl- und Dehnraten im Werkstoff herbeiführt, durch eine Variation des Innendruckes, des Wirkmediums, wirkender Druckkräfte und weiteren Parametern, Werkstücke aus niedriglegiertem Stahl mit verbesserten Eigenschaften erhalten werden. Ein Umformwerkzeug sollte im Vergleich zu anderen etablierten Konzepten nicht isotherm sondern wechseltemperiert sein. Als Werkstücke können insbesondere Rohre, Hohlkörper oder Hohlprofile im Fokus der mit der Erfindung erreichten Umformung liegen, wobei dies auch auf Umformwerkzeuge zur Blechfertigung übertragen werden kann.
Durch druckgesteuerte Wärmeübergangswiderstände im Halbzeug können für lokal unterschiedliche und variierbare Abkühlraten, wie hohe Abkühlraten mit hoher Flächenpressung realisiert werden, wenn aufgrund eines hohen Innendrucks beim Innenhochdruckumformen oder Druckkräften am Umformwerkzeug wirken.
Kleinere Abkühlraten können durch eine Verringerung des Innendruckes bzw. kleinerer auf die Halbzeugoberfläche wirkender Druckkräfte und der damit verbunden geringeren Flächenpressung bzw. der damit verbunden Rückfederung (Relaxation) durch die Werkstoffelastizität erreicht werden.
Es kann auch eine Steuerung der Flächenpressung und der Abkühlrate durch einen temporär wirkenden Unterdrück und damit eine Verringerung der Abkühlrate erreicht werden.
Wie bereits angesprochen, kann auch eine Beeinflussung der Abkühlrate über „schaltbare Wärmeleitung" mittels einer Werkzeugbeschichtung erreicht werden. Dazu kann man neuartige Werkzeugstähle und Beschichtungen an einem Umformwerkzeug einsetzen, die eine Erhöhung oder Reduzierung der Wärmeübergänge bzw. der Wärmeleitung als Funktion der Richtung (längs, quer) ermöglichen, sodass unterschiedliche Bereiche eines Umformwerkzeugs mit unterschiedlichen isotropen bzw. anisotropen Wärmeleitungen erhalten werden können.
Für geregelte Umformbedingungen (Druck, Temperatur, Dehnrate, Wirbelstromprüfung für Werkstoffumwandlung), um die Eigenschaften im Werkstoff oder eine eventuelle Eigenschaftsgradierung gezielt zu überwachen, zu steuern und ggf. auch zu regeln, kann man geeignete Sensoren vorsehen, mit denen insbesondere der zeitliche Temperaturverlauf am umzuformenden bzw. umgeformten Halbzeug und der momentan erreichte Verformungsgrad bzw. die momentan erreichte Verformung erfasst werden können.
Mit den vorgesehenen Modifikationen innerhalb des Werkzeuges und der Proessführung ist es möglich, die Q&P-Wärmebehandlung, für dafür vorgesehene Stähle (Siliziumgehalt > 0,5 Masse-%), für Halbzeuge zu realisieren. Ziel ist es dabei zwingend eine schnelle Abkühlung (>30 K/s) ausgehend von einer Temperatur, die kleiner als die Austenitisierungstemperatur ist, bis zu einer Temperatur, die etwas kleiner als die Martensit-Start-Temperatur ist, zu realisieren. Anschließend muss eine deutlich niedrigere Abkühlrate (so gering wie möglich; mindestens < 10 K/s) eingestellt (mit den erwähnten Modifikationen) werden, sodass das Halbzeug im weiterhin geschlossenen Umformwerkzeug, unter Druck und anliegender Flächenpressung (folglich nur minimaler bis kein Bauteilverzug) eine maximal mögliche Zeit (das Ziel ist hierbei eine Zeit von 30 s bis 180 s) zwischen der Martensit-Start und der Martensit-Finish- Temperatur im Werkzeug partitionieren kann. Wird die Martensit-Finish- Temperatur unterschritten, ist das sogenannte Presspartitionieren und folglich auch die Q&P-Wärmebehandlung beendet und das umgeformte Werkstück kann entnommen werden.
Für die zusätzlich nutzbare erhöhte Umformbarkeit wird das Halbzeug mit dem speziell modifizierten Umformwerkzeug unter die Ms-Temperatur abgeschreckt und dann bei sehr geringen Dehnraten (103 bis 0,1 1/s) und einer deutlich reduzierten Abkühlrate (so gering wie möglich; < 10 K/s) weiter umgeformt bevor die Mf -Temperatur unterschritten wird. Die deutlich erhöhte Umformbarkeit während der Partitionierung kann z.B. für eine deutlich bessere Ausformung von Nebenformelementen am Werkstück und zum Kalibrieren enger Radien genutzt werden.
Die verschiedenen Q&P-Prozessrouten (Presspartitionieren; Presspartitionieren und langsames Umformen während des Partitionierens) innerhalb eines Umformwerkzeuges mit lokal unterschiedlichen Abkühlraten zu realisieren, führt zu völlig neuen Werkstückeigenschaften (hohe lokale Umformgrade, Design, „tailored properties") mit außergewöhnlichen Eigenschaftsprofilen (extreme Festigkeit bei hoher Duktilität).
Die Erfindung ermöglicht es erstmals die Q&P-Prozessroute innerhalb eines Umformwerkzeuges zu realisieren und somit höchstfeste Werkstücke mit sehr hoher Duktilität zu erhalten. Dabei können lokal definiert unterschiedliche Abkühlraten und folglich auch einsatzoptimierte lokal definierte Eigenschaftsprofile durch die angedachten Modifikationen am Umformwerkzeug im erfindungsgemäß umgeformten Werkstück erzeugt werden. Durch die gezielte und langsame Umformung zwischen Ms- und Mf-Temperatur können zusätzlich sehr hohe Umformgrade für die Ausformung von weiteren Neben- formelementen realisiert werden. Es entfällt die separate Partitionierung in einem Ofen. Zudem beleibt das Werkstück auch beim hier integrierten Partitionieren durch das Umformwerkzeug umschlossen und durch den Innendruck bzw. Druckkräfte des Umformwerkzeugs gestützt und so kann ungewollter und ungleichmäßiger Verzug auf ein Minimum reduziert und dieser kann vorher bestimmt und in der Werkzeuggravur vorgehalten werden, sodass eine sehr hohe Bauteilqualität/Präzision erreicht wird.
Das technische Anwendungsgebiet für die Technologie der einstufigen Q&P- Wärmebehandlung innerhalb eines Werkzeugs ist sehr weitläufig. Dieses ergibt sich, da aufgrund der gezielt einstellbaren Abkühlraten im Umformwerkzeug jedes Werkstück mit außergewöhnlichen und lokal optimierten Eigenschaftsprofilen ausgebildet werden kann. Die extremen Festigkeiten bei einer gleichzeitig sehr hohen Duktilität der Werkstücke, prädestiniert sie aufgrund ihrer sehr hohen Energieaufnahme für jeglichen crashrelevanten Anwendungsfall in der Fahrzeugindustrie. Mit einem einstufigen Umformwerkzeug für die komplette Q&P-Route können die Werkstücke zusätzlich mit sehr geringen Prozesszeiten und aufgrund der permanent anliegenden Flächenpressung mit sehr guter Maßhaltigkeit gefertigt werden. Ebenfalls können bereits für Großserien etablierte Maschinen adaptiert und für die Q&P-Route erweitert werden. So wird erwartet, dass eine neuartige Werkstückklasse der Q&P-Stähle (hochkomplexe Geometrie, ultrahochfest und duktil) etabliert und sehr kostengünstig hergestellt werden kann. Mit diesen Vorteilen erschließt sich auch ein weitläufiger Anwenderkreis. Dieser beginnt bei den Automobilherstellern selbst und setzt sich über die verschiedenen System liefe ranten fort.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 218PCT 3178 Patentansprüche
1. Verfahren zur Umformung eines aus einem niedriglegierten Stahl, in dem mindestens 0,2 Masse-% Kohlenstoff und mindestens 0,5 Masse- % Silizium enthalten sind, gebildeten Halbzeugs, bei dem das mindestens seine Austenitisierungstemperatur aufweisende Halbzeug in ein mindestens zweiteiliges Umformwerkzeug eingesetzt und bei Einhaltung einer Kühlrate zwischen mindestens 30 K/s und maximal 100 K/s und einer erhöhten Dehnrate zwischen 1 1/s und 100 1/s grob umgeformt wird bis die Martensit-Start-Temperatur unterschritten worden ist, und nach Erreichen einer Halbzeugtemperatur, die kleiner als die Marten- sit-Start-Temperatur ist, die Umformung mit einer Dehnrate kleiner 0,1 1/s fortgeführt und das Halbzeug langsam endkonturnah ausgeformt und die Abkühlrate auf einen Wert kleiner 10 K/s reduziert wird, so dass zwischen der Martensit-Start und Finish-Temperatur eine diffusionskontrollierte homogene Verteilung des Kohlenstoffs im Halbzeugvolumen erreicht wird und der Umformvorgang bei dem unterschreiten der Martensit-Finish- Temperatur beendet und ein aus dem Halbzeug erhaltenes umgeformtes Werkstück nach Erreichen einer Temperatur, die kleiner als die Martensit-Finish-Temperatur des Werkstoffs ist, aus dem Werkzeug entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate durch Variation der Flächenpressung zwischen Halbzeugoberfläche und Werkzeugoberfläche verändert und/oder eine alternierende Einstellung von isotroper zu anisotroper thermischer Leitfähigkeit des Umformwerkzeugs durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Abkühlrate ausschließlich in Bereichen des Halbzeugs durchgeführt wird, die mit dem Umformwerkzeug umgeformt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Umformung von als Hohlprofil oder Hohlkörper ausgebildeten Halbzeugen mittels Druckerhöhung im Inneren des jeweiligen Hohlprofils oder Hohlkörpers der Druck des komprimierten Mediums gepulst verändert wird, oder auf die Oberfläche des Halbzeugs wirkende Druckkräfte, die mit dem Umformwerkzeug aufgebracht werden, mehrfach erhöht und wieder verkleinert werden, um die Dehnrate und die Abkühlrate aktiv zu beeinflussen.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des komprimierten Mediums und die Pulsdauer einzelner Druckpulse verändert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich zwischen Martensit-Start- und Martensit-Finish-Temperatur bei der Umformung eine Dehnrate zwischen 10-3 1/s und 0,1 1/s eingehalten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug mit einem integrierten Kühlsystem gekühlt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur definierten Beeinflussung der Flächenpressung zwischen der umzuformenden Oberfläche des Halbzeugs und der zur Formgebung bei der Umformung des Halbzeugs ausgebildeten Umformwerkzeugoberfläche und/oder zur aktiven Beeinflussung der richtungsabhängigen thermischen Leitfähigkeit vorhanden ist.
9. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächenbereiche des Umformwerkzeugs mit denen 14 keine oder nur eine geringe Umformung durchgeführt werden, mit einer thermisch isolierenden Beschichtung versehen sind.
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