DE102008020757A1

DE102008020757A1 - Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken aus Eisen-Mangan-Stahl

Info

Publication number: DE102008020757A1
Application number: DE102008020757A
Authority: DE
Inventors: Uwe Paar; Martin Dr. Glatzer; Jürgen Dr. Kiese
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken aus Eisen-Mangan-Stahl. Es ist vorgesehen, dass ein Blechwerkstück mit einer Temperatur von 50°C bis 1000°C in ein Formwerkzeug eingelegt wird und von diesem Formwerkzeug umgeformt wird, wobei die Verweildauer des Werkstücks im Formwerkzeug 1 bis 20 s beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken aus Eisen-Mangan-Stahl.
Eisen-Mangan-Stähle können einen Mangan-Anteil von bis zu 40% aufweisen. Aufgrund dieses hohen Mangan-Anteils, oftmals kombiniert mit einem ebenfalls hohen Aluminium-Anteil, weist ein solcher Eisen-Mangan-Stahl einen sehr hohen Bruchdehnungswert auf. Üblicherweise werden derartige Eisen-Mangan-Stähle zum Zweck der Formgebung kalt umgeformt. Dabei ist nachteilig, dass die umgeformten Bleche im Bereich ihrer Umformung eine hohe Rückfederung aufweisen beziehungsweise ein starkes Aufsprungverhalten zeigen. Zur Kompensation des Aufsprungverhaitens werden die Rückfederungswerte in Versuchswerkzeugen ermittelt und die in den Versuchswerkzeugen ermittelten Werte werden bei der Konstruktion des Serienwerkzeuges beziehungsweise bei dessen bauteilspezifischen Einstellungen in das jeweilige Serienwerkzeug eingebracht. Dieser Ablauf ist zeit- und kostenintensiv, da jede Bauteilgeometrie unterschiedliche Auswirkung auf das Aufsprungsverhalten des umzuformenden Eisen-Mangan-Bleches hat. Kompliziert geformte Bauteile sind daher mittels des Kaltumformverfahrens nicht oder nur im eingeschränkten Maße herstellbar. Ein weiterer Nachteil des Kaltumformprozesses liegt darin, dass hohe Presskräfte beim Kaltumformen benötigt werden.
Bei der Kaltumformung von Eisen-Mangan-Stählen liegen die Temperaturen im Werkzeug bei ca. 70 bis 80°C. Öfen werden zur Realisierung dieser Temperaturen nicht verwendet. Die Verweilzeit des Werkstücks im Werkzeug ist ohne wesentlichen Einfluss auf die Werkstückeigenschaften. Bei der Kaltumformung werden in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie lokal unterschiedliche Festigkeiten erreicht, welche zwischen der Dehngrenze Rp_0,2 = 560 MPa und der Zugfestigkeit R_m = 1140 MPa liegen. Je größer der lokale Umformungsgrad ist, umso höher liegt der entsprechende Festigkeitswert.
Ein Laminierungsprozess von Eisen-Mangan-Stählen ist in der WO 2006/042931 A1 offenbart. Es findet hier nach dem Formprozess ein Rekristallisationsglühen statt.
Generell bietet das Warmumformen eine Alternative zum Kaltumformverfahren. Übliche Warmumformprozesse werden bei ca. 1000°C ausgeführt. Das Warmumformen bewirkt, dass beim Umformprozess die Rückfederung nicht oder nur in einem sehr geringen Maße auftritt. Es ist somit mittels dem Warmumformen möglich, in einem endgeometrienahen Werkzeug in nur einem Umformschritt aus einem Werkstückrohling das fertig umgeformte Werkstück herzustellen. Nachteilig dabei ist allerdings, dass durch die hohe Umformtemperatur die Festigkeitswerte des Werkstückes nach dessen Abkühlung stark abgesunken sind. Ein derart festigkeitsgemindertes Werkstück kann zum Beispiel nicht mehr als Crash-Schutz-Verstärkungsteil eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem kostengünstig die Herstellung verformter Blechteile mit hoher Festigkeit ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 genannte Verfahren zur Umformung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken aus Eisen-Mangan-Stahl zur Verfügung gestellt, bei dem ein Blechwerkstück mit einer Temperatur von 50°C bis 1000°C in ein Formwerkzeug eingelegt wird und von diesem Formwerkzeug umgeformt wird, wobei die Verweildauer des Werkstücks im Formwerkzeug 1 bis 20 s beträgt. Zur Realisierung einer tatsächlichen Warmumformung im erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die Temperatur des Werkstückes 700°C bis 1000°C. Zufriedenstellende Versuche wurden bis einschließlich 950°C gefahren. Die Verweildauer des Werkstücks im Formwerkzeug beträgt dabei vorzugsweise 1 bis 15 s. Eine Verweildauer von 2 bis 12 s ergab sehr gute Ergebnisse hinsichtlich des gewünschten Gefüges und des Aufsprungverhaltens.
Ein zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendetes Formwerkzeug ist üblicherweise ein Gesenk. Zur Erzeugung von einfachen Verformungen an Blechteilen aus Eisen-Mangan-Stahl kann allerdings auch vorgesehen sein, dass das Formwerkzeug eine einfachere Konstruktion aufweist, wie zum Beispiel im Wesentlichen eine Anlage und ein Druckelement. In diesem Fall ist die Erfindung derart zu verstehen, dass das Werkstück mit einer Temperatur von 50°C bis 1000°C nicht in das Werkzeug eingelegt wird, sondern an diesem zur Anlage kommt. In diesem Fall beträgt die Anlage des Werkstücks am Formwerkzeug 1 bis 20 s. Diese Verweildauer des Werkstücks im beziehungsweise am Formwerkzeug kann dabei eine relativ kurze Zeit des Umformens und eine nachfolgende, längere Zeit der Fixierung des Werkstücks im Formwerkzeug umfassen, oder das Verfahren kann derart ausgestaltet sein, dass der Formgebungsprozess über die gesamte Verweildauer des Werkstücks im Formwerkzeug erfolgt. In der letzteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt daher der Umformprozess langsamer, aber dafür über die gesamte Verweildauer. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Verformungskraft nur so lange auf das Werkstück aufgebracht wird, bis der gewünschte Verformungsgrad erreicht ist. Das heißt, auf Grund der geringen Rückfederung beim Warmumformen muss das Werkstück im Wesentlichen nicht bis über sein endgültiges Geometriemaß hinaus verformt werden.
Außerdem hat sich herausgestellt, dass optimale Festigkeitswerte dann erzeugt werden, wenn während der Verweildauer des Werkstücks im Formwerkzeug dem Werkstück so viel Wärme entzogen wird, dass es das Formwerkzeug mit einer Temperatur von 20°C bis 600°C verlässt. Das heißt, dass die Temperatur des Werkstücks vor dem Einlegen in das Formwerkzeug bevorzugt 700°C bis 1000°C beträgt und dass die Temperatur des Werkstücks beim Herausnehmen aus dem Formwerkzeug 20°C bis 600°C beträgt.
Ausreichend gute Ergebnisse hinsichtlich des Aufsprungverhaltens ergeben sich bei einer Temperatur des Werkstücks beim Herausnehmen aus dem Werkzeug von 100°C bis 430°C. Besonders gute Ergebnisse ergeben sich bei einer Temperatur des Werkstücks von 100°C bis 390°C beim Herausnehmen aus dem Formwerkzeug.
Vorteilhafterweise ist das Verfahren derart ausgestaltet, dass das Werkstück vor dem Einlegen in das Formwerkzeug in einem Ofen aufgeheizt wird, wobei der Ofen eine Temperatur von bis zu 1000°C hat und die Verweildauer des Werkstücks im Ofen bis zu 10 min beträgt. Optimale Aufheizergebnisse des Werkstücks ergeben sich bei einer Verweildauer des Werkstücks im Ofen von 5 bis 10 min. Außerdem hat sich herausgestellt, dass sich die besten Materialeigenschaften des Werkstückes bei einer Ofentemperatur von 950°C und einem schnellen Transport des Werkstücks vom Ofen in das Formwerkzeug unter minimalem Wärmeverlust einstellen.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht dem Warmumformschritt mindestens ein Kaltumformschritt voraus. Das heißt, bevor das umzuformende Werkstück erwärmt wird, wird es mit einem oder mehreren Kaltumformschritten vorverformt. Diese Kaltumformschritte können einen oder auch unterschiedliche Bereiche des Werkstückes betreffen. Das heißt, dass die anschließende Warmumformung indirekt durchgeführt wird. Die Duktilität wird durch die Kaltumformung in den kaltumgeformten Bereichen gemindert. Mittels der anschließend ausgeführten erfindungsgemäßen Warmumformung können die bereits kalt umgeformten Bereiche oder auch bisher nicht umgeformten Bereiche des Werkstückes verformt werden und die durch Kaltumformung erzeugten Kaltverfestigungen im Werkstück beseitigt werden. Damit steigt auch die Duktilität in den zuvor kalt umgeformten Bereichen des Werkstückes wieder an.
Vorteilhafterweise besteht der im erfindungsgemäßen Verfahren angewendete Eisen-Mangan-Stahl neben Eisen aus den folgenden Legierungselementen: bis zu 40% Mangan, bis zu 15% Aluminium, bis zu 2% Kohlenstoff, bis zu 6% Silicium, wobei der Eisen-Mangan-Stahl des Weiteren Titan, Wolfram, Niob, Chrom, Nickel, Vanadium und Bor in ihrer Summe von weniger als 3% und Einzelanteilen von weniger als 0,5% aufweist.
Vorteilhafterweise ist der im Verfahren eingesetzte Eisen-Mangan-Stahl ein TWIP-Stahl. Daneben sind aber auch TRIP-, TRIP/TWIP- und TRIPLEX-Stähle im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar.
TRIP-Stahl (Transformation Induced Plasticity) umfasst im Wesentlichen mehrere Phasen von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen; nämlich Ferrit, karbidfreien Bainit und metastabilem kohlenstoffreichen Restaustenit, der bei Verformung in Martensit umwandelbar ist. Außerdem können typische Legierungszusätze für austenitische Stähle wie Nickel, Chrom, Kobalt, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff und außerdem noch höhere Legierungszusätze von Silizium und Aluminium vorhanden sein. Unter Einwirkung von ausreichend hohen Kräften bei einer Kaltumformung auf den Stahl kippen die Kristallgitter aus der kubisch flächenzentrierten Austenit-Form in die kubisch raumzentrierte und erzeugen damit ein martensitisches Gefüge. Das heißt, der TRIP-Effekt besteht in der besonderen Martensitbildung bei Kaltverformung.
TWIP-Stahl (Twinning Induced Plasticity) bezeichnet eine weitere Austenit-Stahlsorte, bei welcher bei plastischer Kaltverformung eine intensive Zwillingsbildung stattfindet. Dieser Vorgang verfestigt den Stahl, wobei die Verfestigung schon bei geringer Belastung (ab 300 MPa) stattfindet und die Bruchdehnung über 60% liegt. TWIP-Stahl besitzt einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6%. Als Legierungselemente kommen Mangan (25 bis 30%), Aluminium und Silizium (bis 2%) zum Einsatz
Der TRIP/TWIP-Stahl ist eine Kombination aus TRIP-Stahl und TWIP-Stahl. Diese Kombination weist einen doppelten TRIP-Effekt auf, das heißt, dieser Stahl besitzt eine doppelte Dehnungsreserve. Dies basiert darauf, dass die Legierungselemente zwei martensitische Umwandlungen ermöglichen, nämlich zunächst einen Wechsel vom Austenit zum hexagonalen Martensit und im zweiten Schritt von der hexagonalen Struktur zum kubisch raumzentrierten Martensit.
Der TRIPLEX-Stahl ist aus einem mehrphasigen Gefüge aus a-Ferrit- und y-Austenit-Mischkristallen gebildet, mit einer martensitischen s-Phase und/oder K-Phase, wie in der WO 2003/029504 beschrieben. Dieser Stahl bewirkt bei Verwendung eine Gewichtsersparnis und ist gut umformbar.
TRIP-, TRIP/TWIP- und TRIPLEX-Stähle weisen hohe Festigkeitswerte und gegenüber den meisten anderen Stählen einen sehr geringen E-Modul auf.
Besonders gute Rückfederungs- und Festigkeitswerte nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt der Einsatz eines X60Mn22.
Es ist vorgesehen, dass das zu verformende Blechwerkstück eine Materialdicke von 0,7 mm bis 20 mm aufweist. Dabei ist zu beachten, dass bei einer relativ langen Zeitdauer zwischen Herausnahme des Werkstücks aus dem Ofen und Einlegen in das Werkzeug ein Werkstück mit nur geringer Wandstärke schneller auskühlt, als wenn es eine größere Massenkonzentration zur Wärmespeicherung aufweist.
Auf der anderen Seite ist zu beachten, dass ein zu großer Wärmeeintrag in das Werkstück, zum Beispiel durch zu lange Zeitdauer des Erwärmens oder auch zu geringe Abkühlrate im Werkzeug, insbesondere bei großen Werkstückdicken, vermieden werden sollte, da ansonsten eine Gefügeveränderung, nämlich eine Grobkornbildung, auftreten könnte. Derartige Gefügeveränderungen wirken sich auf die Festigkeitseigenschaften aus, was durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert werden soll.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die durch das Formwerkzeug auf das Blechwerkstück aufgebrachte Verformungskraft 0,15 s bis maximal 15 s aufrecht erhalten.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, Umformungen an Eisen-Mangan-Stählen vorzunehmen, die nach dem Warm-Umformprozess weiterhin annähernd die gleichen hohen Festigkeitswerte aufweisen wie vor der Verformung. So weist zum Beispiel ein dem Verfahren unterzogener X60Mn22 im Anlieferungszustand eine Dehngrenze Rp_0,2 von 560 MPa auf und im abgekühlten Zustand nach der Warmumformung eine Dehngrenze Rp_0,2 von 531 MPa. Die Zugfestigkeit R_m des X60Mn22 beträgt im Anlieferungszustand 1140 MPa und im abgekühlten Zustand nach der Warmumformung 1060 MPa. Des Weiteren beträgt die Bruchdehnung A₅₀ des X60Mn22 im Anlieferungszustand 59% und im abgekühlten Zustand nach dem Warmumformungsprozess 61%.
Das heißt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Werkstückeigenschaften erzielt beziehungsweise verändert werden sollen. Sinn der erfindungsgemäßen Warmumformung ist es, die Eigenschaften des Werkstoffes, insbesondere die mechanischen Eigenschaften, nicht oder nur so gering wie möglich zu verändern. Das heißt, dass auch in den umgeformten Bereichen des Werkstücks im Wesentlichen die Eigenschaften wie in der ursprünglichen Platine vorliegen sollen.
Durch die Warmumformung wird das Aufsprungverhalten des Werkstückes im Formgebungsprozess vermindert. Somit sind Bauteile mit einer deutlich höheren Komplexität und Formgenauigkeit gegenüber dem herkömmlichen Kaltumformverfahren herstellbar. Dies bedeutet, dass man komplizierte Formen am Werkstück bereits in einem Umformschritt herstellen kann. Somit lassen sich Umform-Stufen und Kalibrierstufen verringern. Des Weiteren sind insgesamt weniger Werkzeuge zur Erzeugung der Bauteilendformen erforderlich. Langwierige Einsteil- und Nachjustierarbeiten an den Werkzeugen werden ebenfalls vermieden. Außerdem unterliegen die Werkzeuge aufgrund der geringeren zur Verformung benötigten Kräfte im Warmumformverfahren einem geringeren Werkzeugverschleiß. Damit werden die Werkzeugstandzeiten erheblich vergrößert. Außerdem wird durch das Warmumformen eine homogene Festigkeitsverteilung in den komplex geformten Bauteilen ermöglicht.
Auf Grund der Warmumformung werden die durch den Umformvorgang in das Werkstück eingebrachten Eigenspannungen sehr gering gehalten, was sich positiv auf die Schweißbarkeit auswirkt.
Durch die hohe Duktilität der warmumgeformten Werkstücke lassen sich diese vorteilhaft als speziell ausgeformte Karosserieteile, insbesondere als Crash-Schutz-Verstärkungsteile einsetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/042931 A1 [0004]
- WO 2003/029504 [0019]

Claims

Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken aus Eisen-Mangan-Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blechwerkstück mit einer Temperatur von 50°C bis 1000°C in ein Formwerkzeug eingelegt wird und von diesem Formwerkzeug umgeformt wird, wobei die Verweildauer des Werkstücks im Formwerkzeug 1 bis 20 s beträgt.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechwerkstück mit einer Temperatur von 700°C bis 1000°C in das Formwerkzeug eingelegt wird und von diesem Formwerkzeug umgeformt wird.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer des Werkstücks im Formwerkzeug 1 bis 15 s beträgt.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkstück während der Verweildauer im Formwerkzeug soviel Wärme entzogen wird, dass es das Formwerkzeug mit einer Temperatur von 20°C bis 600°C verlässt.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkstück während der Verweildauer im Formwerkzeug soviel Wärme entzogen wird, dass es das Formwerkzeug mit einer Temperatur von 100°C bis 430°C verlässt.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor dem Einlegen in das Formwerkzeug in einem Ofen aufgeheizt wird, wobei der Ofen eine Innentemperatur von bis zu 1000°C hat und die Verweildauer des Werkstücks im Ofen bis zu 10 min beträgt.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmumformung mindestens ein Kaltumformungsschritt vorausgeht.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisen-Mangan-Stahl Legierungselemente neben Eisen in folgenden Mengenanteilen aufweist: bis zu 40% Mn, bis zu 15% Al, bis zu 2% C, bis zu 6% Si, und Ti, W, Nb, Cr, Ni, Vn und B in ihrer Summe von weniger als 3% und einzeln von weniger als 0,5%.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisen-Mangan-Stahl ein TWIP-Stahl ist.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Eisen-Mangan-Stahl X60Mn22 ist.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech des Blechwerkstücks eine Materialdicke von 0,7 mm bis 20 mm aufweist.
Verfahren zur Umformung von Blechwerkstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Formwerkzeug auf das Blechwerkstück aufgebrachte Verformungskraft 0,15 s bis maximal 15 s aufrecht erhalten wird.