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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umformen
von Blechteilen aus Stahl, wobei der Stahl ein bei Kaltumformung
Martensitphasen-haltiger Stahl ist.
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Um
Bauteile für die Karosserie von Kraftfahrzeugen maßgenau
zu fertigen, ist eine hohe Maßhaltigkeit bereits bei der
Fertigung für die Bauteile erforderlich. Gerade Elemente
im Kraftfahrzeugbereich, die in der Seitenwand oder im Vorder- oder
Heckbereich des Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen und die aus Stählen
oder Stahlblechteilen gefertigt sind, sollen zum einen hohe Streckgrenzen
aufweisen und damit auch enormen Spannungen standhalten, zum anderen
mit hoher Maßhaltigkeit aus Stählen gefertigt
werden, da diese für den genannten Anwendungsbereich bereits
aus Stabilitätsgründen geeignete Werkstoffe sind.
Bis dato gestaltet es sich komplex, die geeigneten Stähle
respektive Stahlbleche für derartige Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich
mit der erforderlichen und zufriedenstellenden Maßhaltigkeit
gerade auf Grund der hohen Streckgrenze darzustellen und gleichzeitig
gewünschte Werkstoffparameter beizubehalten.
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Aus
dem Stand der Technik ist bis dato das Presshärten als
eine Methode bekannt, um Bauteile mit hoher Festigkeit und möglichst
hoher Maßhaltigkeit darzustellen. Derartige Bauteile weisen
jedoch bei schlagartiger Belastung, wie sie im Crash vorkommt, ein
nur begrenztes Verformungsvermögen auf, sofern es sich bei
diesen Bauteilen um aus Stahlblechen gefertigte Elemente handelt,
die Martensitphasen bilden. Die Martensitphase, die bei einer Formhärtung
im gekühlten Werkzeug entsteht, ist stets verformungsarm.
Es hat sich erwiesen, dass eine Beeinflussung der Abkühlbedingungen
zur Entwicklung eines geringeren Anteils an Martensitphasen auf
Grund langer Prozesszeiten zu unwirtschaftlich ist. Werden die Bauteile
vorzeitig aus dem Formwerkzeug entnommen und langsam an der Luft
abkühlen gelassen, so wird die Maßhaltigkeit negativ
beeinflusst.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils wird in
der
DE 10 254 695
B3 beschrieben; dort wird zur Herstellung eines Karosseriebauteils
aus einem Halbzeug aus einem ungehärteten warmformbaren
Stahlblech zunächst durch ein Kaltumformverfahren ein Bauteilrohling
umgeformt. Bei dem Kaltumformverfahren handelt es sich um Tiefziehen.
Nachfolgend wird der Bauteilrohling randseitig beschnitten und der
beschnittene Bauteilrohling wird erwärmt und in einem Warmformwerkzeug
pressgehärtet. Damit gelingt es, das erzeugte Bauteil bereits
nach dem Warmumformen mit der gewünschten Berandungskontur
zu versehen. Nachteilig bei dieser Art der Darstellung von Bauteilen
ist, dass das Bauteil auf Grund der entstandenen Martensitphasen
nur ein begrenztes Verformungspotenzial bei Schlagbelastung aufweist
und insofern unerwünschte Eigenschaften im Kraftfahrzeugbereich
aufweist, da hier insbesondere eine hohe Crash-Stabilität
erforderlich ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es erforderlich, ein verbessertes
Verfahren zur Umformung von Martensitphasen-haltigen Stahlblechteilen
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zur Umformung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
ausgeführt.
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Eine
Ausführungsform des Verfahrens zur Umformung von Bauteilen
aus Martensitphasen-haltigem Stahl bezieht sich darauf, dass das
Stahlblech zunächst gemäß einem konventionellen
Kaltumformverfahren vorgeformt und danach unter erhöhten
Temperaturen angelassen wird, wobei vorteilhaft die Martensitphase
in ein verformungsfähiges Zwischenstufengefüge
umgewandelt wird. Da nunmehr erneut Verformungsfähigkeit gegeben
ist, wird die Wärmezufuhr beendet und danach ein zweiter
Umformprozess ausgeführt, während das Bauteil
noch eine Restwärme aufweist. Damit erhält das
Bauteil vorteilhaft eine Endform von optimaler Maßhaltigkeit
und weist gleichzeitig ein Verformungsvermögen auf, das
bei Schlagbelastung, wie sie bei Einsatz der Bauteile in Kraftfahrzeugen
bei Stößen vorkommen, gewünscht ist.
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Eine
weitere Ausführungsform des Verfahrens bezieht sich darauf,
dass der erste Kaltumformschritt mittels Tiefziehen in einem Formwerkzeug
ausgeführt wird, wonach das Bauteil dem Formwerkzeug entnommen
und zum Anlassen in einen Ofen gegeben wird. Hernach wird das Bauteil
erneut in ein Formwerkzeug gegeben und vorteilhaft in seine Endform überführt. Überraschend
kann damit ein hohes Verformungsvermögen des Materials
im Fall von Schlag- und Stoßbelastung beibehalten werden.
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Weitere
Ausführungsformen beziehen sich darauf, dass die Blechteile,
die dem erfindungsgemäßen Umformen unterzogen
werden, Stahlbleche der Stahlgütestufen TRIP (Stähle
mit transformations-induzierter Plastizität), DP (Dualphasenstähle),
CP (Komplexphasenstähle), PM (partiell martensitische Stähle)
oder MS-Stähle (Martensitphasenstähle) sind. Diese
Stähle zeichnen sich bei Bearbeitung durch das erfindungsgemäße
Verfahren durch die Fähigkeit aus, hohen Spannungen im
Bereich von 700 bis 1.200 MPa Stand zu halten und dennoch auf Grund
der niedrigeren Festigkeit bei höherer Temperatur weiterer
Formgebung zugänglich zu sein, so dass die gewünschte
Maßhaltigkeit eines zu fertigenden Bauteils erreicht wird.
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Figurenbeschreibung
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Der
Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung
der Beschreibung. Gegenstände oder Teile von Gegenständen,
die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei
zeigen:
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1a–1d schematische
Darstellungen des Verfahrensablaufs,
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2a–2c Gefügeänderungen
im Stahlblech während des Umformprozesses,
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3a–3d Spannungs-Dehnungsdiagramme mit aufgezeigtem
Rücksprung R in Abhängigkeit der Temperatur und
der Stahlblechgüte.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Begriffe seien zum
besseren Verständnis wie folgt definiert:
Unter „Kaltumformung"
wird das Umformen von Metallen grundsätzlich und im vorliegenden
Fall von Stahlblechen bei einer Temperatur verstanden, die unterhalb
der sogenannten Rekristallisationstemperatur liegt, die etwa bei
40% bis 50% der absoluten Schmelztemperatur liegt. Kaltumformung
findet außerdem bei einer Temperatur statt, die unter der
Rekristallisationstemperatur und auch unter der Anlasstemperatur
liegt. Unter „Anlassen" wird ein gezieltes Erwärmen
eines Werkstoffs zum Zweck des Spannungsabbaus durch Umkristallisieren
von in dem Material vorliegenden Phasen verstanden. Dabei kann etwa eine
Umformung von Austenit zu Martensit erfolgen. Für Stähle
werden vielfach Anlasstemperaturen im Bereich von 300°C
bis 600°C gewählt. Das Kaltumformen kann mittels
Streckziehen oder Tiefziehen erfolgen, wobei unter „Tiefziehen"
vorliegend ein Zugdruckumformen des Materials in einem Formwerkzeug
verstanden wird. Ein solches Formwerkzeug kann eine Formpresse sein,
in die das platten- oder platinenartige Material hineingegeben und über
einem Stempel abgepresst wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Umformen von Blechteilen
aus verformungsarmem Martensitphasen-haltigem Stahl, der daher kaum
oder gar nicht mit der im Kraftfahrzeug-Rohbau erforderlichen Maßhaltigkeit
umformbar ist, erfolgt zunächst auch unter Ausführung
eines Kaltumformschrittes des Blechteils durch ein Vor-Tiefziehen,
wodurch entsprechend eine nicht maßhaltige Rohform gebildet
wird. Anschließend erfolgt ein Anlassen des Bauteils bei
Temperaturen im Bereich von 300°C bis 600°C und
schließlich, nachdem der Erwärmungsprozess, in
dem die Martensitphase in ein verformungsfähiges Zwischenstufengefüge
umgewandelt wird, beendet ist, erfolgt ein zweites Umformen des
Blechteils durch ein Nach-Tiefziehen, wodurch ein endgeformtes Bauteil
bereitgestellt wird.
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Durch
den Schritt des Ausführens eines zweiten Umformens nach
dem Anlassen wird überraschend ein Material erhalten, das
sein Verformungsvermögen beibehält, wenn es schlagartiger
Belastung ausgesetzt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn das Bauteil im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt wird, wo es, wenn
es im Front- oder Heckbereich oder auch für die Bildung
von Seitenteilen eingesetzt wird, vielfach plötzlicher
Stoßbelastung ausgesetzt wird, wenn das Kraftfahrzeug einem
Crash ausgesetzt ist und sich dann verformen soll. Vorteilhaft wird
damit in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch
Ausführen eines zweiten Umformens mit der zur Verfügung
stehenden Restwärme nach dem Anlassen des Blechteils der
Anteil der verformungsarmen Martensitphasen erheblich reduziert,
indem diese in das Zwischengefüge umgewandelt werden. Gleichzeitig
werden ökonomische Prozesszeiten beibehalten, da kein langsames
Abkühlen abgewartet werden muss, sondern ein endfertiges
Bauteil durch erneutes Nach-Tiefziehen bereitgestellt wird. Vorteilhaft
wird hiermit auch vermieden, durch eine vorzeitige Entnahme des
Bauteils aus dem Ofen, in dem das Anlassen stattgefunden hat, die
Maßhaltigkeit des Objekts nachteilig zu beeinträchtigen.
Das Ausführen des Vor-Tiefziehens wird vorteilhaft in einem
Formwerkzeug ausgeführt, in dem ebenfalls der nach dem
Anlassen, das im Ofen stattfindet, erfolgende Nach-Tiefziehschritt
ausgeführt wird.
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Besonders
Blechteile aus Stählen der Stahlgütestufen TRIP
(Transformation induced plasticity) 700, TRIP 800, TRIP 1.000, DP
(Dualphasenstahl) 800, DP 1.000, CP (Komplexphasenstahl) 800, CP
900, CP 1.000, PM (partiell martensitischer Stahl) 800, PM 1.000,
MS (Martensitphasenstahl) 1.000 oder MS 1.200, die Spannungen im
Bereich von 700 bis 1.000 MPa standhalten, sind geeignet, dem erfindungsgemäßen
Verfahren unterzogen zu werden.
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Beispiele
für Zusammensetzungen derartige Stähle sind in
Tabelle 1 angegeben: Tabelle 1:
| Stahlgüte | Werkstoffnummer | C/% | Si/% | Mn/% | Al/% | P/% | S/% | Ti
+ Nb/% |
| DPC
290Y490T | 1.0939 | ≤ 0,13 | ≤ 0,45 | ≤ 1,80 | ≤ 0,07 | ≤ 0,08 | ≤ 0,015 | |
| DPC
340Y590T | 1.0941 | ≤ 0,14 | ≤ 0,45 | ≤ 2,00 | ≤ 1,40 | ≤ 0,08 | ≤ 0,015 | |
| HOT
780X | 1.0943 | ≤ 0,18 | ≤ 0,8 | ≤ 2,50 | ≤ 2,00 | ≤ 0,12 | ≤ 0,015 | ≤ 0,15 |
| DPC
550Y980T | 1.0944 | ≤ 0,23 | ≤ 0,80 | ≤ 2,50 | ≤ 2,00 | ≤ 0,08 | ≤ 0,015 | |
| TRC
410Y690T | 1.0947 | ≤ 0,24 | ≤ 0,60 | ≤ 2,20 | ≤ 1,60 | ≤ 0,08 | ≤ 0,015 | |
| HOT
780T | 1.0948 | ≤ 0,25 | ≤ 2,20 | ≤ 2,50 | ≤ 2,00 | ≤ 0,12 | ≤ 0,015 | ≤ 0,20 |
| CPC
600Y780T | 1.0953 | ≤ 0,18 | ≤ 0,80 | ≤ 2,20 | ≤ 2,00 | ≤ 0,08 | ≤ 0,015 | |
| MAH
900Y1200T | 1.0965 | ≤ 0,18 | ≤ 0,80 | ≤ 2,00 | ≤ 2,00 | ≤ 0,02 | ≤ 0,010 | ≤ 0,15 |
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Die
vorliegend gelisteten Stahlgüten sind lediglich beispielhafte
Angaben für Stahlbleche, die in Frage kommen, um dem erfindungsgemäßen
Verfahren unterzogen zu werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird deutlich aus 1a–1c. 1a verdeutlicht
den Schritt (a) des Ausführens eines Kaltumformens des
Blechteils durch ein Vor-Tiefziehen auf konventionelle Weise. Das
Blechteil 1 wird in das Formwerkzeug 2 gegeben
und vorgeformt. 1b zeigt, dass das vorgeformte Blechteil 1,
das zu diesem Zeitpunkt noch von der gewünschten Endform
abweicht, dem Formwerkzeug 2 entnommen wurde und zur Durchführung
des zweiten Schrittes (b), wie aus 1c ersichtlich,
in einen Ofen 3 gegeben wurde, wo es durch Erhitzen auf
eine Temperatur im Bereich von 300°C bis 600°C
einem Anlassen unterzogen wird. Bei diesem Schritt (b) wird die
Martensitphase in ein verformungsfähiges Zwischenstufengefüge
umgewandelt. Nachfolgend wird das Blechteil 1 dem Ofen 3 entnommen
(Schritt c) und, wie 1d zeigt, erneut in ein Formwerkzeug 2 gegeben,
wo es, solange es die entsprechende Restwärme aufweist,
endgeformt wird, so dass das endfertige Bauteil 1' erhalten
wird. Vorteilhaft wird damit ein maßhaltiges endgeformtes Bauteil 1' erhalten.
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Durch
das Anlassen bei Temperaturen zwischen 300°C und 600°C
und das abschließende Umformen bei noch bestehender Restwärme
werden die Martensitphasen in das verformungsfähige Zwischenstufengefüge
umgeformt, wie aus den 2a bis 2c deutlich
wird: Zunächst werden die Restaustenitphasen 7 beim
Kaltumformen in Schritt (a) zu Martensit 5 umgewandelt
(2a). Damit liegt nachteilig ein verformungsarmes
Gefüge vor. Durch das Anlassen auf Temperaturen zwischen
300°C und 600°C erfolgt eine Umformung der Martensitphasen 5 zu
einem verformbaren Gefüge mit Zwischenphasen 8,
wie in 2c gezeigt. Damit ist wieder
Bearbeitbarkeit des Materials gegeben. Kurz: 2a zeigt
das Gefüge des Blechteils, respektive einer Platine, die
zunächst Martensit- 5, Austenit- 7 und
Ferritphasen 6 enthält, während durch
das konventionelle Vor-Tiefziehen beim kaltverfestigten Material
Ferrit 6 und Martensit 5 dominieren (2b).
Durch das Anlassen wird, wie 2c zeigt,
eine Zwischenstufengefüge-Phase 8 erreicht, die
zugleich mit Ferrit 6 in der Platine vorliegt.
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Bei
der Umformung auf Grund der niedrigen Festigkeit bei höherer
Temperatur (Anlassen) wird die elastisch freisetzbare Dehnung reduziert
und weitere Formgebung ermöglicht. Die mangelnde Maßhaltigkeit durch
hohe elastische Dehnung der gegebenen Stahlbleche mit entsprechend
hohen Streckgrenzen bei Kaltumformen und entsprechender Verfestigung
der Werkstoffe, die durch Rückspringen nach dem Umformen nachteilig
wieder ausgeglichen wird, wird überwunden. Das gewünschte
hochmaßhaltige und fertige Bauteil wird damit durch das
erfindungsgemäße Verfahren erhalten, das somit
bei verbesserter Maßhaltigkeit komplexer Bauteile eine
verbesserte Eignung zum Einsatz von Bauteilen bereitstellt, die
im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden und potenzieller Stoßbeanspruchung
durch Crashs standhalten müssen. Die verbesserte Crasheignung
ergibt sich durch das erhöhte Verformungsvermögen
durch die angelassenen Martensitphasen. Gleichzeitig ergibt sich
ein größeres Leichtbaupotenzial durch höhere
Streckgrenzen, die ebenfalls eine Folge der Anlassbehandlung sind.
Des Weiteren ist es möglich, durch die erfindungsgemäß bereitgestellte
verbesserte Umformbarkeit komplexere Formen darzustellen und damit
ein größeres Bauteilspektrum realisieren zu können.
Weiterhin hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, dass das erfindungsgemäße
Verfahren kostenökonomischer ist, als das aus dem Stand
der Technik bekannte Presshärten, da ein Austenitisieren
nicht erfolgen muss, das bei höherer Temperatur als das
Anlassen ausgeführt wird.
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Das
auf Grund des Anlassens und Nachformens verbesserte Werkstoffverhalten
wird fer ner aus den Spannungs-Dehnungs-Diagrammen der 3a bis 3d deutlich: Für zwei Stahlbleche
der Güten DP 1000 und TRIP 800 wird in 3a zunächst
der Rücksprung R durch den elastischen Verformungsanteil
bei Spannungen σ von 400 MPa und 800 MPa gezeigt, nachdem
das Material kalt umgeformt wird. Nach Aufbringen der Umformungsspannung
zeigt das Material ein hohes Bestreben, in seine ursprüngliche
Form zurückzukehren. Ein reduziertes Rücksprungverhalten,
also reduziertes Bestreben des Materials, in seinen vor der Umformung vorliegenden
Zustand zurückzukehren, wird durch das Anlassen bei alternativ
300°C oder 600°C gezeigt (3b), wonach
eine erhöhte Streckgrenze verbunden mit einer verbesserten
Verformbarkeit des Materials gegeben ist (3c). Das
Material ist daher nach der erfindungsgemäßen
Behandlung geeignet, im Leichtbau für Karosserieteile eingesetzt
zu werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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