DE102008044693A1

DE102008044693A1 - Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile mit mehrfachem Erwärmen

Info

Publication number: DE102008044693A1
Application number: DE102008044693A
Authority: DE
Inventors: Otto Buschsieweke; Andreas Zimmermann
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: IT1395239B1; US20100050730A1; DE102008044693B4; ITRM20090439A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile mit einem Erwärmungsprozess, einem Vorformprozess und einem Endform- und Härteprozess in einer Presse, wobei eine Platine erwärmt, sodann warm vorgeformt und in einer weiteren Presse in die Endform konfiguriert und unter Verbleib in der Presse gehärtet wird. Erfindungsgemäß wird die Platine für das Endformen auf mindestens Härtetemperatur erneut erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile mit einem Erwärmungsprozess, einem Vorformprozess und einem Endform- und Härteprozess in einer Presse, wobei eine Platine erwärmt, sodann warm vorgeformt und in einer weiteren Presse in die Endform konfiguriert und unter Verbleib in der Presse gehärtete wird.
Im Fahrzeugbau werden mehr und mehr Fahrzeugbauteile aus festem und hochfestem Stahl eingesetzt, um den Leichtbaukriterien gerecht zu werden. Dies gilt auch für den Karosseriebau, wo beispielsweise Struktur- und/oder Sicherheitsteile wie Türaufprallträger, A- und B-Säulen, Stoßfänger oder Längs- und Querträger immer öfter zur Erreichung der Gewichtsziele und der Sicherheitsanforderungen aus einem warmgeformten und pressgehärteten Stahl mit Zugfestigkeiten größer 1000 MPa hergestellt werden. Aus der DE 24 52 486 C2 ist dabei ein Verfahren zum Pressformen und Härten eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit bekannt, bei dem ein Blech aus einem borlegierten Stahl auf eine Temperatur über AC₃ erwärmt und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formveränderung gepresst wird und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen wird, dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird. Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, das sich hervorragend für Struktur- und Sicherheitsteile im Fahrzeugbau eignet. Dieser Prozess ist nachfolgend mit Warmformen und Presshärten gemeint. Dabei können sowohl vorgeformte Bauteile als auch ebene Platinen warmgeformt und pressgehärtet werden. Der Formvorgang kann sich bei vorgeformten Bauteilen auch auf eine Formung von einigen wenigen Prozent der Endgeometrie oder auf ein Kalibrieren beschränken.
Aus der DE 103 07 184 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Bauteils aus Feinblech bekannt. Erfindungsgemäß wird eine Platine erwärmt und dann aus einer Wärme sowohl vorgeformt als auch endgeformt und gehärtet. Der Wärmeverlust der Platine wird dabei durch geeignete Mittel und/oder optimierte Handlingszeiten minimiert. Das Verfahren eignet sich besonders für die Verarbeitung einer aus einem mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtetem Coil entnommenen Platine. Der Wärmeverlust der Platine kann durch kurze Druckberührzeiten im Vorformwerkzeug minimiert werden, was sich besonders bei einfachen Geometrien anbietet, die in nur zwei Schritten geformt werden können.
Die DE 10 2004 007 071 B4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Umformen einer beschichteten Platine aus einem Vergütungsstahl, wobei vor dem Umformen in einem ersten Verfahrensschritt die Platine einem ersten Ofen zugeführt und dort austenitisiert wird und wobei die Verweildauer der Platine im ersten Ofen so gewählt wird, dass neben der Gefügeumwandlung ein Schichtdickenwachstum vonstatten geht. Dann wird die Platine schnell abgekühlt und die wärmebehandelte Platine anschließend zwischengelagert. Sodann erfolgt ein erneutes kurzzeitiges Erwärmen der Platine in einem zweiten Ofen auf Austenitisierungstemperatur unmittelbar vor dem Umformen zum Bauteil und nach erfolgter Gefügeumwandlung ein Umformen und Harten der Platine. Auf diese Weise sollen die Abläufe entkoppelt werden. Für den eigentlichen Prozess der Platinenumformung ergibt sich ein geringerer Flächenbedarf und ein Weniger an Infrastruktur. Eine Pufferung/Zwischenlagerung der wärmebehandelten Platine ist möglich, so dass eine Wärmebehandlung, unter anderem zur Beeinflussung der AlSi-Schicht, ohne weiteres auch bereits beim Stahlhersteller oder Blechlieferanten erfolgen kann.
Auch die DE 102 54 695 B3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils aus einem Halbzeug aus einem ungehärteten warmformbaren Stahlblech. Das Halbzeug wird durch ein Kaltumformverfahren, insbesondere durch Tiefziehen, zu einem Bauteil-Rohling umgeformt und anschließend randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Berandungskontur beschnitten. Schließlich wird der beschnittene Bauteil-Rohling erwärmt und in einem Warmumformwerkzeug pressgehärtet. Das dabei erzeugte Bauteil weist bereits nach dem Warmumformen die gewünschte Berandungskontur auf, so dass eine abschlie ßende Beschneidung des Bauteilrandes entfällt. Auf diese Weise können die Zykluszeiten bei der Herstellung gehärteter Bauteile aus Stahlblech erheblich gesenkt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, auch geometrisch anspruchsvolle Bauteile in guter Qualität herstellen zu können.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Demnach wird bei einem Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile mit einem Erwärmungsprozess, einem Vorformprozess und einem Endform- und Härteprozess in einer Presse eine Platine erwärmt, sodann warm vorgeformt und in einer weiteren Presse in die Endform konfiguriert und unter Verbleib in der Presse gehärtet. Erfindungsgemäß wird die Platine für das Endformen auf mindestens Härtetemperatur erneut erwärmt. Dahinter steckt die Erkenntnis, dass eine Platine aus Feinblech nur eine geringe Wärmespeicherkapazität aufweist, die regelmäßig bereits bei einem einzigen Umformschritt zu großen Teilen in das Umformwerkzeug abgeleitet wird. Selbst bei einem Vorformen mittels einer schnellen Presse oder einem zweistufigen Werkzeug genügt die Wärmespeicherkapazität nur für die Ausformung einfacher Umformgrade. Anspruchsvolle Bauteile müssen in mehreren Schritten umgeformt werden. Bisher wurde ein Vorformen bei einem unbeschichteten Vergütungsstahl, beispielsweise in der Qualität 22Mn65, in der Regel mit Kaltformschritten bewerkstelligt. Der Formänderungswiderstand ist bei einem erwärmten Vergütungsstahl jedoch deutlich reduziert. Folglich können bei einem erwärmten Stahl größere Tiefziehgrade realisiert werden als mit einem Kaltformen. Dafür genügt auch bereits eine Erwärmung unterhalb von AC₃. Auf AC₃ muss lediglich für das Härten erwärmt werden. Durch das Erwärmen vor dem Formen können bei komplexen Bauteilen mehrere Kaltformschritte zu einem Warmformschritt im Sinne von Formen bei erhöhter Temperatur zusammengefasst werden. Daher ist die Erfindung bei komplexen Bauteilen vorteilhaft. Eine anspruchsvolle Geometrie sind beispielsweise ein tiefes Profil und schwierige Kanten.
Ein mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichteter Vergütungsstahl sollte ausschließlich warmgeformt werden. Die Aluminiumbeschichtung garantiert einen Schutz gegen Entkohlung und Verzunderung während des gesamten Erwärmungs-, Warmform- und Wärmebehandlungsprozesses und bietet anschließend beim fertigen Bauteil noch einen Schutz vor Korrosion. Allerdings bildet sich bei den üblichen Schmelztauchbeschichtungsverfahren bereits während des Beschichtungsverfahrens eine intermetallische Phase zwischen dem Grundwerkstoff und der Beschichtung aus, die zwar einerseits erst ermöglicht, dass die Beschichtung im Warmformverfahren nicht abschmilzt, andererseits aber nur ungenügend kaltformbar ist. Die relativ spröde intermetallische Phase kann beim Kaltformen reißen oder abplatzen, was dazu führt, dass der Korrosionsschutz beim fertigen Endbauteil nicht mehr gewährleistet ist. Komplexe Geometrien können nur erfindungsgemäß hergestellt werden, indem die beschichtete Platine warm vorgeformt und für das Endformen erneut auf mindestens Härtetemperatur erwärmt wird. Mit jeder Erwärmung erfährt die Aluminiumbeschichtung jedoch ein von der Erwärmungstemperatur und der Erwärmungsdauer abhängiges Schichtdickenwachstum. Hier ist darauf zu achten, dass die Beschichtung eine für einen nachfolgenden Schweißvorgang kritische Schichtdicke nicht überschreitet.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen
1 einen prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Prozesskette,
2 eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prozesskette
3 einen Längsträger 14 für ein Chassis eines Fahrzeugs, der in einem erfindungsgemäßen zweistufigen Warmforrmprozess hergestellt wird.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Prozesskette mit einigen fakultativen Merkmalen. Von einem Coil 1 wird in einer Schneidstation 2 eine Platine abgetrennt. Diese Platine wird in einem ersten Ofen 3 erwärmt und anschließend in einem ersten Warmformwerkzeug 4 geformt und abgekühlt. Bei Bedarf wird das nunmehr vorgeformte Bauteil in einer Schneidstation 5 beschnitten. Für einen unbeschichteten Vergütungsstahl ist es von Vorteil, wenn das erste Erwärmen im ersten Ofen 3 auf eine Temperatur unter AC₃ erfolgt, weil dann in dem ersten Formwerkzeug 4 mangels Austenitisierung keine oder nur eine geringfügige Härtung erfolgt. Zudem ist der Aufwand für das Erwärmen geringer. Ein ungehärtetes Bauteil lässt sich auch einfacher beschneiden. Anschließend wird das vorgeformte und ge gebenenfalls beschnittene Bauteil in einem zweiten Ofen 30 erneut erwärmt. Da es sich hierbei um die letzte Erwärmung vor der Endformgebung in Verbindung mit dem Einstellen der Härtewerte handelt, wird das vorgeformte Bauteil für den Härteschritt auf eine Temperatur über den AC₃ Punkt der Legierung erwärmt und bis zur Austenitisierung gehalten. Dann erfolgt in einem zweiten zwangsgekühlten Warmformwerkzeug 40 die Endformgebung und Härtung. Je nach Toleranzvorgabe und Geometrie muss auch nach dem Härten noch mal in einer Schneidstation 50 beschnitten werden.
In einer besonderen Ausführungsform der 2 kann die Erfindung auch auf ein sogenanntes tailor rolled blank angewendet werden. Dafür wird von dem coil 1 ein Band abgewickelt und in einer Walzeinrichtung 5 partiell durch Abwalzen in der Dicke reduziert. Anschließend wird das partiell abgewalzte Band in einer Richtstation 6 gerichtet und dann der Station 2 für den Platinenschnitt zugeführt. Das fertige Bauteil verfügt so über eine maßgeschneiderte angepasste Wandstärke in definierten Bereichen.
3 zeigt einen Längsträger 14 für ein Chassis eines Fahrzeugs, der in einem erfindungsgemäßen zweistufigen Warmformprozess hergestellt wird. Der Längsträger 14 ist über seine gesamte Längserstreckung auf drei Seiten 18, 19, 20 geschlossen. Zudem geht er von seinem hinteren Bereich 15 über eine ausgeprägte Biegung 16 in einen vorderen Bereich 17 über. Ausgehend von einer ebenen Platine kann das auf drei Seiten 18, 19, 20 geschlossene Profil nicht gleichzeitig ausgeformt und gebogen werden. Eine einmalige Erwärmung vor dem ersten Formschritt reicht für zwei Formschritte nicht aus. Der Längsträger 14 würde bereits nach dem ersten Formschritt zu sehr abkühlen. Der erfindungsgemäß hergestellte Längsträger ist aus einem mit Aluminium beschichteten Vergütungsstahl der Qualität 22MnB5 hergestellt. Diese beschichtete Stahlsorte kann nicht kalt geformt werden, ohne die Beschichtung zu beschädigen. Alternativ könnte dieser Längsträger 14 nur als mehrteiliges Profil aus zwei Halbschalen hergestellt und zusammen geschweißt werden, wobei die beiden Halbschalen jeweils einzeln warmgeformt werden und anschließend in der Mitte überlappend übereinandergelegt und verschweißt werden müssten. Ein mehrteiliger Längsträger mit einer Schweißnaht bringt aber bei einem Unfall nicht die Leis tung des erfindungsgemäß hergestellten einteiligen Längsträgers 14 und ist zudem materialintensiver und schwerer.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2452486 C2 [0002]
- DE 10307184 B3 [0003]
- DE 102004007071 B4 [0004]
- DE 10254695 B3 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile mit einem Erwärmungsprozess, einem Vorformprozess und einem Endform- und Härteprozess in einer Presse, wobei eine Platine erwärmt, sodann warm vorgeformt und in einer weiteren Presse in die Endform konfiguriert und unter Verbleib in der Presse gehärtete wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine für das Endformen auf mindestens Härtetemperatur erneut erwärmt wird.
Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine für das Vorformen auf eine Temperatur unterhalb der Härtetemperatur erwärmt wird.
Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile gemäß einem der vorangegangene Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine in mehreren Vorformschritten warm vorgeformt wird.
Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile gemäß einem der vorangegangene Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgeformte Bauteil zwischen den einzelnen Formprozessen beschnitten wird.
Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile gemäß einem der vorangegangene Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine mit einer Aluminiumbeschichtung versehen ist.
Längsträgers (14), der mit einem Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile gemäß einem der vorangegangene Ansprüche hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsträger (14) aus einem mit Aluminium beschichteten Stahl der Sorte 22MnB5 besteht, auf drei Seiten (18, 19, 20) ein geschlossenes Profil aufweist und in einem mittleren Bereich (16) bogenförmig verläuft.