DE102005041741A1

DE102005041741A1 - Verfahren zum Herstellen eines pressgehärteten Bauteils

Info

Publication number: DE102005041741A1
Application number: DE200510041741
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Dreher (FH); Steffen Helwing; Uwe Mattes; Thomas Schweiker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-09-03
Also published as: WO2007028475A3; WO2007028475A2; DE102005041741B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines pressgehärteten Bauteils aus einem Halbzeug aus ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech, wobei das Halbzeug erwärmt und in einem Warmumformwerkzeug pressgehärtet wird. Um die beim Presshärten erreichtbaren Ziehtiefen zu erhöhen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Umformgeschwindigkeit, mit welcher das Halbzeug im Warmumformwerkzeug umgeformt wird, so hoch ist, dass der Umwandlungsprozess von einem austenitischen in ein martensitisches oder bainitisches Gefüge erst nach Beendigung des Umformvorgangs abgeschlossen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines pressgehärteten Bauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.

Aus der gattungsbildenden DE 198 15 022 A1 ist ein pressgehärtetes Bauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils durch ein Presshärteverfahren bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Halbzeug zunächst durch ein Ziehverfahren kalt umgeformt, dann erwärmt und in einem Warmumform-Werkzeug pressgehärtet.

Soll nun ein Bauteil aus einem höherfesten Stahlwerkstoff hergestellt werden, so wird bei diesem und ähnlichen Verfahren ein großer Teil der endgültig zu realisierenden Verformung durch die vorgeschaltete Kaltumformung erreicht.

Dabei sollen im Folgenden solche Werkstoffe betrachtet werden, die vor dem Härten als höherfest bezeichnet werden mit einer Zugfestigkeit im Bereich von 400–500 N/mm^2. Das nach der Warmumformung und anschließender Aushärtung erlangte Bauteil wird dann als höchstfest oder ultrahochfest bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Presshärteverfahren für Bauteile aus höherfestem Stahl vorzuschlagen, bei dem die benötigte Verformung des Bauteils in einem Umformschritt realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.

Danach ist die Umformgeschwindigkeit, mit welcher das Halbzeug im Warmumformwerkzeug umgeformt wird, so hoch, dass der Umwandlungsprozess von einem austenitischen in ein martensitisches oder bainitisches Gefüge erst nach Beendigung des Umformvorgangs abgeschlossen ist (Anspruch 1).

Die im Vergleich zur Geschwindigkeit des Gefügeumwandlungsprozesses höhere Umformgeschwindigkeit gestattet es, die gesamte Umformung des aus hochfesten Stahl-Werkstoffen bestehenden Halbzeugs zu komplexen Bauteilen einzig und allein auf eine Warmumformung des Halbzeugs zu beschränken, welche in einem einzigen Hub bewerkstelligt wird. Hierbei können ohne weiteres auch hohe Ziehtiefen prozesssicher realisiert werden. Durch den Entfall vorangehender Kaltumformoperationen, die bei bisher bekannten Presshärteverfahren üblich sind, können die Kosten und der apparative Aufwand für die Fertigung im Vergleich zum gattungsgemäßen Verfahren entscheidend gesenkt werden. Zudem können mit diesem Verfahren die Taktzeiten in der Fertigung verkürzt werden.

Vorteilhafterweise liegt die Umformgeschwindigkeit im Bereich oberhalb von 65 mm/s. Damit liegt sie oberhalb der Umformgeschwindigkeiten, die mit Hilfe bisher zum Presshärten eingesetzter industrieller Pressen realisierbar sind (Anspruch 2).

Besonders vorteilhaft liegt die Umformgeschwindigkeit oberhalb von 150 mm/s. Bewegt sich die Umformgeschwindigkeit in diesem Bereich, kann der Effekt der noch nicht abgeschlossenen Gefügeumwandlung mit einem guten Kosten-/Nutzenverhältnis genutzt werden, und die durch das Verfahren erreichbare Ziehtiefe kann stark erhöht werden (Anspruch 3).

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die Umformgeschwindigkeit oberhalb von 300 mm/s. Mit einer derartigen Geschwindigkeit können auch hochkomplexe Bauteile aus höherfesten Stahlwerkstoffen, die sonst praktisch nicht umformbar sind, in gewünschter Weise hergestellt werden (Anspruch 4).

In einer günstigen Ausgestaltung wird das Bauteil nur bereichsweise gehärtet. So können auch Bauteile mit lokalen Verstärkungen und benachbarten ungehärteten Bereichen durch das Verfahren einfach hergestellt werden (Anspruch 5).

Vorteilhafterweise erfolgt die Erwärmung des Halbzeugs in einem Durchlaufofen. Auf diese Weise kann das Verfahren in der Serienfertigung eingesetzt werden, da mehrere Halbzeuge parallel erhitzt werden können (Anspruch 6).

Es ist günstig, wenn die Warmumformung in einer Hochgeschwindigkeitspresse durchgeführt wird. So können die benötigten hohen Umformgeschwindigkeiten erreicht und die Vorteile der schnellen Umformung voll genutzt werden (Anspruch 7).

Weiterhin wird ein pressgehärtetes Bauteil aus einem Halbzeug aus ungehärtetem, warmumformbaren Stahl vorgeschlagen, welches nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist (Anspruch 8).

Vorteilhafterweise besteht das Bauteil aus einem höherfesten Stahlwerkstoff, insbesondere aus dem Werkstoff 22MnB5. Bei diesen Werkstoffen treten die Vorteile des Verfahrens voll in Erscheinung, weil sie bei den gattungsgemäßen niedrigen Umformgeschwindigkeiten ab einer bestimmten Ziehtiefe einer vorausgehenden Kaltumformung unterzogen werden müssten (Anspruch 9 und 10).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Bauteil eine Beschichtung zum Korrosionsschutz auf, insbesondere eine Beschichtung aus einem Aluminium-Silizium-Werkstoff. Bei Bauteilen mit einer solchen Beschichtung ist das bekannte Verfahren in der Form gar nicht durchführbar, da die Beschichtung beim Kaltumformen, beispielsweise beim Tiefziehen, teilweise beschädigt würde und in einem weiteren Schritt erneuert werden müsste, was den Aufwand noch einmal deutlich erhöht (Anspruch 11 und 12).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele ausführlich erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs bei dem gattungsgemäßen Verfahren,
2 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
3 eine Detailansicht eines verwendeten Warmumformwerkzeuges,
4 den Verlauf der erreichbaren Ziehtiefen in Abhängigkeit der Umformgeschwindigkeit sowie
5 die erreichbaren prozentualen Erhöhungen der erreichbaren Ziehtiefe.
1 zeigt schematisch den Ablauf des gattungsgemäßen, bisher industriell eingesetzten Presshärteverfahrens zur Herstellung eines Bauteils 1. Dabei wird zunächst ein auf einem Coil 15 befindliches Stahlblech 5 über eine Walze 17 einer Schneideeinrichtung 19 zugeführt. Dort wird aus dem Stahlblech 5 eine Platine 21 entsprechender Größe ausgeschnitten. Bisher wird diese auch als Halbzeug 3 bezeichnete Platine 21 einer Kaltumformeinrichtung 23 zugeführt, in welcher sie einen ersten Umformschritt im kalten Werkstoff-Zustand, beispielsweise einen Tiefziehvorgang erfährt. Anschließend wird das Halbzeug 3 in einem Ofen 25 auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Temperatur liegt, bei der eine Gefügeumwandlung des Werkstoffs des Halbzeugs 3 in den austenitischen Zustand stattfindet. Je nach verwendeter Stahlsorte liegt diese Austenisierungs-Temperatur zwischen 700°C und 1100°C.
Der erhitzte Rohling wird dann mit Hilfe eines Manipulators 27 in ein Warmumformwerkzeug 7 eingelegt. In diesem Werkzeug 7 wird das Bauteil 1 fertig geformt und schnell abgekühlt, wodurch ein feinkörniges martensitisches oder bainitisches Gefüge eingestellt wird. Dieser Schritt entspricht einer Härtung des Bauteils 1 und ermöglicht die Erhöhung der Festigkeit des Werkstoffs. Dabei kann sowohl das gesamte Bauteil 1 gehärtet werden als auch einzelne Bereiche des Bauteils 1. Ist der gewünschte Härtegrad erreicht, wird das Bauteil 1 aus dem Warmumformwerkzeug 7 entnommen. Es weist nun sowohl die gewünschten Werkstoffeigenschaften als auch die gewünschte Endkontur auf.
Wird dieses gattungsgemäße Verfahren nun mit einem Stahlblech 5 aus einem hochfesten Stahlwerkstoff, beispielsweise aus einem borlegierten Vergütungsstahl mit der Bezeichnung 22MnB5, durchgeführt, so ergibt sich die Schwierigkeit, dass ein großer Teil der gesamten Verformung, die das Bauteil 1 erfährt, bereits im Kaltumformschritt vorgenommen werden muss. Bei dem herkömmlichen Verfahren muss in der Kaltumformeinrichtung ein sehr hoher Anteil der gesamten Verformung, beispielsweise bis zu 80%, eingestellt werden.
Einen Ausweg stellt das in 2 schematisch dargestellte Verfahren dar. Das eigentliche Verfahren ist durch einen gestrichelten Kasten gekennzeichnet. Bei diesem Verfahren wird der zusätzliche Kaltumformschritt eingespart, indem die Geschwindigkeit 9 des Umformvorgangs bei der Warmumformung stark erhöht wird. Dadurch wird die erreichbare Ziehtiefe 39 deutlich erhöht, so dass die gesamte benötigte Verformung des Halbzeugs 3 in einem einzigen Verfahrensschritt, im Warmumformwerkzeug 7, erreicht werden kann.
Das Halbzeug 3 kann dabei eine entsprechend zugeschnittene Blechplatine 21 aus einem höherfesten Stahlwerkstoff sein. Alternativ können aber auch lokal verstärkte Bleche, Taylored Blanks, oder Taylored Rolled Blanks, welche aus mehreren Blechstücken mit unterschiedlichen Dicken zusammengeschweißt sind, als Halbzeuge 3 verwendet werden. Vorzugsweise ist das Halbzeug 3 mit einer Beschichtung 14 aus einer gegen Korrosion schützenden Legierung, beispielsweise einer Aluminium-Silizium-Legierung, versehen.
Das Halbzeug 3 wird, wie in 2 dargestellt, mit Hilfe eines Manipulators 27 dem Ofen 25, der in diesem Beispiel als Durchlaufofen 11 auf gestaltet ist, zugeführt. Die Temperatur des Halbzeugs 3 nach Verlassen des Durchlaufofens 11 liegt bei dem in diesem Beispiel verwendeten Werkstoff zwischen 880°C und 960°C. Durch die Aluminium-Silizium-Beschichtung 14 wird dabei zusätzlich ein Verzundern der Oberfläche des Halbzeugs 3 während der Erwärmung verhindert.
Nun wird das Halbzeug 3 der Warmumformung unterzogen. Bei diesem Verfahren kommt als Warmumformwerkzeug 7 jedoch eine Hochgeschwindigkeitspresse 13 zum Einsatz, welche im Vergleich zu einem in 1 dargestellten industriell bisher eingesetzten Warmumformwerkzeug 7 eine hohe Umformgeschwindigkeit 9 realisieren kann. Durch diese hohe Umformgeschwindigkeit 9, die deutlich höher ist als die Geschwindigkeit beim konventionellen Tiefziehen, welche beispielsweise bei 65 mm/Sekunde liegt, wird erreicht, dass die Umformung des Bauteils 1 bereits größtenteils oder vollständig abgeschlossen ist, bevor die Aushärtung des Bauteils 1, also die Gefügeumwandlung, abgeschlossen ist.
Dieser Aushärteprozess des Bauteils 1 setzt dabei ein, sobald das Halbzeug 3 den Durchlaufofen 11 verlässt. Je schneller dann die Umformung durchgeführt wird, desto weniger weit fortgeschritten ist der Gefügeumwandlungs-Prozess und desto höhere Umformgrade können erzielt werden. Das Zeitfenster, in dem hohe Umformgrade möglich sind, bevor die Aushärtung einsetzt, wird daher umso besser genutzt, je höher die Umformgeschwindigkeit 9 ist. In dieser optimalen Nutzung des Aushärtefensters liegt der große Vorteil einer Umformung mit hoher Geschwindigkeit 9.
Nach der Warmumformung wird das fertige Bauteil 1 dem Warmumformwerkzeug 7 durch einen weiteren Manipulator 27 entnommen und gestapelt.
Das Verfahren nach 2 entspricht also dem in 1 dargestellten Verfahren mit Wegfall des Kaltumformschrittes. Wie bisher kann die Presse 13 bzw. das Warmumformwerkzeug 7 dabei zusätzlich gekühlt werden, um eine schnelle Aushärtung und dadurch ein feineres Gefüge des Bauteils 1 zu erzielen.
3 zeigt beispielhaft ein Detail eines verwendeten Warmumformwerkzeugs 7. Dabei wird das Halbzeug 3, welches eine Beschichtung 14 aufweist, zwischen einem Ziehring 31 und einem Niederhalter 33 gehalten. Dann wird durch einen Stempel 35, welcher sich mit einer Umformgeschwindigkeit 9 bewegt, die Verformung des Halbzeugs 3 bewirkt. In diesem Beispiel werden zwei verschiedene Stempel 35' und 35'' durch unterschiedliche Schattierungen angedeutet, die sich durch den Anstiegswinkel 36 unterscheiden und somit auch unterschiedliche Verformungen erzeugen können, wobei geringere Anstiegswinkel wie bei dem Stempel 35' auch einen Napf mit steileren Wänden erzeugen. In 3 ist weiterhin die erreichte Ziehtiefe 39 bzw. der Umformgrad des fertigen Bauteils 1 dargestellt.
In 4 ist in einem Diagramm der Verlauf der erzielbaren Ziehtiefe 39 auf der Ordinate in Abhängigkeit von der Umformgeschwindigkeit 9, mit welcher sich der Stempel 35 bewegt, auf der Abszisse, aufgetragen.
Unterschiedliche Kurven 37 entsprechen dabei unterschiedlichen verwendeten Stempeln 35 und Ziehringen. Variiert wurden jeweils die Radien des Ziehrings 31 sowie die Anstiegswinkel 36 des Stempels 35, 35', 35''. Die Versuche wurden sämtlich mit einem Blech aus dem Werkstoff Usibor 1500 P mit einer Blechdicke von 1,35 mm durchgeführt.
Über alle diese variierten Parameter ist der Effekt deutlich zu sehen, dass eine umso größere Ziehtiefe 39 erreicht werden kann, desto schneller das Warmumformwerkzeug 7 bewegt wird. Dabei weisen die Kurven 37 zunächst einen sehr steilen Anstieg auf, der dann langsam abflacht. Erst ab einer Umformgeschwindigkeit 9 von etwa 600 mm/Sekunde ist keine nennenswerte Steigerung der Ziehtiefe 39 mehr zu beobachten, was vermutlich komplexe Abläufe in der Gefügeumwandlung zur Ursache hat.
Zusammenfassend lässt sich über die Umformgeschwindigkeit 9 sagen, dass bereits ab 150 mm/Sekunde, der Umformgeschwindigkeit 9, aber der man von Hochgeschwindigkeitsumformen sprechen kann, eine nennenswerte Steigerung der erreichbaren Umformgrade zu beobachten ist, vor allem unter dem Gesichtspunkt des Kosten-/Nutzen-Verhältnisses, da keine besonderen apparativen Anstrengungen erforderlich sind, um diese Geschwindigkeit zu realisieren. Bei 400 mm/Sekunde sind noch höhere Umformgrade/Ziehtiefen 39 erreichbar, es muss jedoch der dafür betriebene Aufwand in Form von Investitionskosten in Werkzeuge betrachtet werden. Theoretisch – ohne Berücksichtigung des apparativen Aufwands – als ideal zu bezeichnen ist eine Umformgeschwindigkeit im Bereich von 600 mm/Sekunde.
Neben der dargestellten Abhängigkeit der Ziehtiefe 39 von der Umformgeschwindigkeit 9 hängt diese noch von anderen Faktoren, vor allem von dem verwendeten Werkstoff und der Blechdicke ab.
4 zeigt die prozentuale Steigerung 41 der Ziehtiefe 39, bezogen auf die bei einer zurzeit üblichen Umformgeschwindigkeit 9 von 65 mm/Sekunde erreichbare Ziehtiefe 39, in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Umformgeschwindigkeit 9. Dargestellt ist dabei jeweils der Mittelwert über alle in 4 gezeigten Versuche mit unterschiedlichen Parametern bei einer Umformgeschwindigkeit 9. Beispielhaft ist schon bei einer Umformgeschwindigkeit 9 von 150 mm/Sekunde bei diesem Werkstoff eine Steigerung der möglichen Ziehtiefe 39 um rund 16 Prozent möglich. Bei Umformgeschwindigkeiten zwischen 300 mm/Sekunde und 400 mm/Sekunde ist eine weitere erhebliche Vergrößerung der Ziehtiefe erreichbar. Bei diesen Geschwindigkeiten können auch Bauteile 1 aus Dualphasenstahl (DP 500 und DP 600) ohne große Schwierigkeiten hergestellt werden.
Durch das Verfahren sind vor allem solche Bauteile 1 herstellbar, die eine hohe Gestaltfestigkeit aufweisen müssen. Im Kraftfahrzeug sind dies insbesondere Crashrelevante Bauteile 1, wie Strukturbauteile des Fahrzeugkarosseriebaus. Dies sind beispielsweise Teile im Bereich der Seitenwand des Kraftfahrzeugs, die sich bei einem Aufprall nicht verformen dürfen. Im Speziellen betrifft dies Säulen, Schweller, Dachrahmen, Querträger, Längsträger und die Stirnwand. Andere Bauteile 1 sind beispielsweise Stoßfänger, Querträger oder Tunnelverstärkungen, also prinzipiell Teile, die dem Insassenschutz dienen. Durch die hohe Festigkeit der Bauteile 1 können deren Wanddicken reduziert werden, wodurch hinsichtlich des Leichtbaus große Vorteile erzielt werden können. Dies kommt besonders bei gepanzerten Fahrzeugen zum Tragen, deren Seitenwandteile nun durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich leichter gestaltet werden können. Hierbei ist sogar denkbar, die Panzerung als Beplankungsteil auszubilden.
Das Verfahren sowie das durch das Verfahren hergestellte Bauteil 1 sind nicht beschränkt auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. Insbesondere kann die konkrete Verfahrensführung von der in 2 gezeigten abweichen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines pressgehärteten Bauteils (1) aus einem Halbzeug (3) aus ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech (5), wobei das Halbzeug (3) auf eine Temperatur oberhalb der Austenisierungstemperatur erwärmt und in einem Warmumformwerkzeug (7) pressgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformgeschwindigkeit (9), mit welcher das Halbzeug (3) im Warmumformwerkzeug (7) umgeformt wird, so hoch ist, dass der Umwandlungsprozess von einem austenitischen in ein martensitisches oder bainitisches Gefüge erst nach Beendigung des Umformvorgangs abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformgeschwindigkeit (9) oberhalb von 65 mm/s liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformgeschwindigkeit (9) oberhalb von 150 mm/s liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformgeschwindigkeit (9) oberhalb von 300 mm/s liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) nur bereichsweise gehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Halbzeugs (3) in einem Durchlaufofen (11) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Warmumformwerkzeug (7) eine Hochgeschwindigkeitspresse (13) verwendet wird.
Pressgehärtetes Bauteil (1) aus einem Halbzeug (3) aus ungehärtetem, warmumformbaren Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.
Pressgehärtetes Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) aus einem hochfesten Stahlwerkstoff besteht.
Pressgehärtetes Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) aus dem Werkstoff 22MnB5 besteht.
Pressgehärtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine Beschichtung (14) zum Korrosionsschutz aufweist.
Pressgehärtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (14) aus einem Aluminium-Silizium-Werkstoff besteht.