DE102009015013B4

DE102009015013B4 - Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile

Info

Publication number: DE102009015013B4
Application number: DE102009015013A
Authority: DE
Inventors: Andreas Sommer; Dieter Hartmann; Tobias HÄGELE
Original assignee: Voestalpine Metal Forming GmbH
Current assignee: Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: EP2411548A1; CN102365375A; US20120097298A1; CN102365375B; ZA201105487B; US8597441B2; DE102009015013A1; EP2411548B1; ES2429021T3; WO2010109012A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Temperaturerhöhung unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht und die Platine nach Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit in ein Umformwerkzeug überführt wird, in dem die Platine zu einem Bauteil umgeformt und gleichzeitig abschreckgehärtet wird oder die Platine kalt umgeformt wird und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das erhitzte Bauteil abgekühlt und dadurch abschreckgehärtet wird, wobei während des Erhitzens der Platine oder des Bauteils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur in Bereichen, die eine geringere Härte und/oder höhere Duktilität besitzen sollen, Absorptionsmassen anliegen, wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, Stahlbauteile dadurch zu härten und herzustellen, dass eine ebene Platine auf eine Austenitisierungstemperatur aufgeheizt, umgeformt und anschließend rasch abgekühlt wird.
Es ist zudem bekannt, bereits kalt umgeformte Bauteile aufzuheizen und anschließend in einem Werkzeug, welches der Endform des Bauteils entspricht, abzukühlen und zu härten.
Um gehärtete Bauteile mit unterschiedlich harten Bereichen zu erzielen ist es unter anderem bekannt, die Bauteile aus lasergeschweißten Platinen auszubilden, wobei die lasergeschweißten Platinen aus Stählen unterschiedlicher Güte und Härtbarkeit bestehen. Ein durch eine entsprechende Temperaturerhöhung härtbarer Stahl ist somit mit einem Stahl benachbart, der bei diesen Temperaturen oder generell nicht härtbar ist.
Aus der DE 197 43 802 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteiles bekannt, wobei das metallische Formbauteil Bereiche mit einer höheren Duktilität aufweisen soll, wobei das Formbauteil aus einem härtbaren Stahl ausgebildet wird und zunächst partielle Bereiche einer Platine in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur von 600° und 900°C gebracht werden, worauf die wärmebehandelte Platine in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umgeformt und dann das Formbauteil im Pressenwerkzeug abgekühlt und dabei teilweise gehärtet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die in dieser Druckschrift beschrieben wird, wird ein Formbauteil zunächst homogen auf eine Temperatur erhitzt, die zum Härten notwendig ist und anschließend die Platine im Pressenwerkzeug zum Formbauteil endgeformt. Im Pressenwerkzeug findet auch die erforderliche Härtung statt. Das homogen gehärtete Bauteil wird anschließend auf einen Förderer aufgelegt und durch Fixierungen lageorientiert. Auf diesem Förderer durchlaufen die Formbauteile eine Heizvorrichtung, in der durch einen Induktor diejenigen Bereiche, die eine höhere Duktilität aufweisen sollen, in kürzester Zeit wiederum auf eine Temperatur von 600° bis 800°C gebracht werden und anschließend so langsam abgekühlt werden, dass eine erneute Härtung nicht stattfindet, sondern diese Teile wiederum duktil sind. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass es mehrere Schritte benötigt und zudem energieintensiv ist.
Aus der DE 200 14 361 U1 ist eine B-Säule für ein Kraftfahrzeug bekannt, die aus einem Längsprofil aus Stahl besteht, wobei das Längsprofil einen ersten Längenabschnitt mit einem überwiegend martensitischen Werkstoffgefüge und einer Festigkeit über 1.400 N/mm² und einen zweiten Längenabschnitt höherer Duktilität mit einem überwiegend ferritisch-perlitischen Werkstoffgefüge und einer Festigkeit unter 850 N/mm² aufweisen soll. Um diese unterschiedlichen Bereiche einzustellen ist es aus dieser Druckschrift bekannt, das Längsprofil in den Bereichen, in denen das Längsprofil weicher bleiben soll, gegen die Wärmeeinwirkung des Ofens zu isolieren, indem Isolierelemente das Profil umgreifen und abdecken. Demzufolge sollen diese Bereiche keine signifikante Erwärmung erfahren, so dass die Temperaturerhöhung insgesamt in diesen Abschnitten deutlich unterhalb der Austenitisierungstemperatur liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform soll die Formplatine zunächst vollständig und homogen auf eine Austenitisierungstemperatur erhitzt werden und während der Übergabe bzw. des Transports der Platine in das Härtungswerkzeug durch gezieltes, nicht zu schroffes Abkühlen auf eine Temperatur deutlich unter der Austenitisierungstemperatur gebracht werden, so dass beim Warmumformen kein rein martensitisches Gefüge eingestellt wird. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass das gezielte Abkühlen einer Platine oder eines vorgeformten Bauteils die Taktzeiten erhöht und zusätzliche Verfahrensschritte notwendig macht. Bei einer Isolierung gegen die Wärmeeinwirkung des Ofens ist von Nachteil, dass sowohl das Aufstecken der Isolierung als auch das Abnehmen der Isolierung zusätzliche Schritte bedeutet, die die Taktzeit und die Komplexität des Verfahrens erhöhen und daher die Verfahrenskosten verteuern.
Aus der EP 0 816 520 B1 ist ein pressgehärteter Gegenstand und ein Verfahren zur Härtung desselben bekannt. Dieses Bauteil soll gehärtete und ungehärtete Bereiche umfassen, wobei zur Härtung des Bauteils bzw. zur Härtung des Profiles ein Induktor eingesetzt wird, der das Bauteil zumindest teilweise auf eine Austenitisierungstemperatur aufheizt und dem Induktor nachfolgend eine Kühleinrichtung beispielsweise mit Wasserstrahl nachgeführt wird, welche die für die Härtung notwendige rasche Abkühlung vornimmt. Versuche haben gezeigt, dass dieses Verfahren einerseits sehr aufwändig ist, die Taktzeiten extrem verlängert und darüber hinaus zu einem überaus starken Bauteilverzug kommt. Dieses Verfahren findet sich demzufolge auch nicht in der Praxis.
Die DE 10 2006 018 406 A1 offenbart ein Verfahren zum Erwärmen von Werkstücken, insbesondere von zum Presshärten vorgesehenen Blechteilen, bei dem während der Erwärmung von einem ausgewählten Abschnitt des Werkstücks Wärme abgeführt wird. Dadurch soll es möglich sein, die Weiterbearbeitung pressgehärteter Werkstücke zu ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von partiell gehärteten, verzugsarmen Stahlbauteilen zu schaffen, welches bei hoher Prozesssicherheit, exakt einstellbaren Härtewerten, mit homogenen und frei einstellbaren Übergangszonen von den jeweils harten zu den weichen Bereichen, einfach und kostengünstig durchführbar ist.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist in einem Unteranspruch gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß liegt in den Bereichen, die keine oder eine geringere Härte besitzen sollen, während des Aufheizens eine Absorptionsmasse an.
Die Absorptionsmasse ist eine während des Ofenprozesses an der heißen Platine anliegende ”kalte” Masse. Diese Masse entzieht der Platine über die Auflagefläche Energie. Die Masse absorbiert also partiell die Energie der Platine, die durch den Ofen eingebracht wird. Deshalb wird im Folgenden eine ”kalte” anliegende Masse auch als Absorptionsmasse bezeichnet. Bei der Erfindung findet somit ein Wärmestrom aus dem Ofenraum durch das Blech des Bauteils in die Absorptionsmasse statt. Eine Isolierung des Bauteils ist nicht notwendig.
Erfindungsgemäß werden die Bauteile während des Aufheizvorganges partiell nicht bzw. nur kurz über die Austenitstarttemperatur gebracht. Dadurch wandelt sich das Material in diesen Bereichen nicht/nur teilweise in Austenit um und kann sich so während des Pressvorganges (Presshärten) in diesen Bereichen nicht zu Martensit umwandeln. Die Bereiche, die sich aufgrund der vorherigen Wärmebehandlung beim Presshärten nicht in Martensit umwandeln, weisen eine deutlich geringere Festigkeit auf als die Bereiche, die während der Wärmebehandlung über Austenitstarttemperatur gebracht und anschließend in der Presse gehärtet wurden.
Erreicht wird dieses partielle nicht/teil Austenitisieren, indem zu Beginn der Wärmebehandlung (bevor das Bauteil in den Ofen kommt) partiell die Absorptionsmasse an das Bauteil angelegt wird. Die Absorptionsmasse liegt direkt am Bauteil an und bildet partiell die Form des Bauteils nach. Die Absorptionsmasse kann je nach Anwendungsbereich auch gleichzeitig als Teileauflage auf dem Trägergestell für den Transport durch den Ofen genützt werden. Beim Transport durch den Ofen erhitzt sich diese relativ große Absorptionsmasse bei weitem nicht so stark wie das Bauteil. Dadurch wird dem Bauteil an der Auflagefläche durch die partielle Berührung mit der Masse Energie entzogen (Energiefluss ist immer von warm zu kalt). Das Bauteil erhitzt sich deshalb in diesen Bereichen deutlich langsamer und geringer als in den übrigen Bereichen, in denen die Masse nicht anliegt.
Die weichen Bereiche lassen sich gezielt durch die anliegende Absorptionsmasse einstellen. Bei gleicher Auflagefläche aber unterschiedlichen Dicken der Absorptionsmasse (auch über deren Ausdehnung) lassen sich unterschiedliche Festigkeiten erzeugen. Es ist dadurch möglich, annähernd jede beliebige Festigkeit zwischen 500 und 1.500 MPa einzustellen und zwar nur durch Variation der Dicke der Absorptionsmasse bzw. des verwendeten Materials (auch über deren Ausdehnung), aus dem die Absorptionsmasse ist.
Die jeweiligen Festigkeitsübergangsbereiche zwischen den harten und weichen Materialbereichen können, je nach eingebrachtem Luftspalt zwischen dem Bauteil und der Absorptionsmasse, zwischen 10 mm und 200 mm, exakt und prozesssicher auf die jeweiligen Crash-Anforderungen abgestimmt werden.
Um diesen Prozess sicher zu machen muss sichergestellt sein, dass die Absorptionsmasse, bevor sie erneut in den Ofen kommt, immer eine entsprechend konstante niedrige Temperatur aufweist. Dies kann im Serienprozess auf unterschiedliche Arten während des Rücklaufes der Ofenträger realisiert werden.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen dabei:
1: eine Platine mit einer aufgesetzten Absorptionsmasse;
2: die Aufheizkurve der Platine und der aufgelegten Absorptionsmasse;
3: die Platine nach dem Abnehmen der Absorptionsmasse und einer durchgeführten Abkühlung;
4: schematisch eine Absorptionsmasse, die auf ein fertig geformtes Bauteil aufgelegt ist;
5: die Darstellung nach 4 in einer teilgeschnittenen Ansicht;
6: die Darstellung nach 4 in einer Draufsicht;
7: die Darstellung nach 6 in einer teilgeschnittenen Ansicht;
8: die Darstellung nach 4 ein einer geschnittenen Ansicht;
9: eine weitere Ausführungsform, bei der das fertig geformte Bauteil auf einer entsprechend geformten Absorptionsmasse aufliegt;
10: zwei Aufheizkurven eines Bauteils, wobei die Temperatur im Bereich der darunter liegenden Absorptionsmasse und in einem Bereich ohne Absorptionsmasse gemessen wurde.
Erfindungsgemäß wird bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine Absorptionsmasse beispielsweise in Form eines Stahlquaders auf ein zu austenitisierendes Blech aufgelegt.
Als Absorptionsmasse kommt jede Form von wärmebeständigen Metallen wie Ampco-Legierungen und Stählen, insbesondere auch hitzebeständige Stähle, die nicht verzundern, aber auch keramische Körper in Frage. Ausschlaggebende Kriterien für die Verwendbarkeit sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität. Die Absorptionsmasse besitzt dabei eine äußere Form bzw. Kontur, die gegebenenfalls auch abgestimmt auf das umgeformte Teil den Bereichen entspricht, die weicher verbleiben sollen. Insbesondere kann die Absorptionsmasse selbstverständlich auch eine von der einfachen quaderförmigen Form abweichende, komplexe unregelmäßige Form auch mit Ausnehmungen besitzen. Die Dicke der Absorptionsmasse liegt insbesondere zwischen 5 und 40 mm.
In 2 ist eine Aufheizkurve für die Platine und eine Aufheizkurve für Absorptionsmasse gezeigt.
Man erkennt, dass die Absorptionsmasse mit einer erheblichen Verzögerung aufgeheizt wird und während die Platine im nicht abgedeckten Bereich bei 720° aus dem Ofen genommen wird um sie presszuhärten, die Absorptionsmasse und damit auch das darunter liegende Blech eine Temperatur von unter 600°C besitzt, bei der auch ein rasches nachfolgendes Abkühlen nicht zu einer Härtung führt.
Die Platine nach dem Abnehmen der Absorptionsmasse und einem Abkühlen zeigt das Erscheinungsbild nach 3, wobei man sieht, dass in dem Bereich, in dem die Absorptionsmasse auflag, das Blech ein im Wesentlichen unverändertes helles metallisches Aussehen besitzt. Der Härteübergangsbereich vom harten Bereich zum unter der Absorptionsmasse liegenden weichen Bereich beträgt in diesem Anwendungsfalle 20 mm bis 30 mm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Absorptionsmasse eine Form, die auf die Form eines fertig umgeformten Bauteiles abgestimmt wird. Dieses fertig umgeformte Bauteil wird zum Zwecke der Härtung anschließend aufgeheizt und nach dem Aufheizen in einem Formwerkzeug ohne wesentliche Umformung abgekühlt. Während des Aufheizens wird, wie in 4 gezeigt, entweder die Absorptionsmasse auf das im Ofen liegende Bauteil aufgelegt um das darunter liegende Blech mit einer in diesem Bereich geringeren Temperatur aus dem Ofen auslaufen zu lassen oder, wie in 9 gezeigt, das Bauteil so aufgelegt, dass es partiell auf der Absorptionsmasse aufliegt. Der Effekt für das Aufwärmen ist hierbei der gleiche.
In 10 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem an einem Bauteil während des Aufheizens Temperaturen gemessen wurden, nämlich einmal im Bereich einer darunter liegenden Absorptionsmasse und einmal in einem Bereich, in dem keine Absorptionsmasse vorhanden war. Man sieht anhand des Diagramms, dass die Temperatur des Bauteils oberhalb der Absorptionsmasse in einem unkritischen Bereich liegt, was bedeutet, dass hier aufgrund der erheblich geringeren Erwärmung keine Härte zu erzielen sein wird.
Wie bereits ausgeführt, kann die Absorptionsmasse so ausgestaltet sein, dass entweder eine ebene Platine oder ein bereits vorgeformtes Bauteil in den Bereichen, die weicher bleiben sollen, auf dieser Absorptionsmasse aufliegt, gegebenenfalls in manchen Bereichen auch mit einem sehr geringen Luftspalt, um weiche Härteübergänge zu realisieren.
Eine bevorzugte Anwendung der Absorptionsmasse ist beispielsweise die Erzeugung von runden bzw. kreisförmigen weicheren Bereichen an einem Bauteil oder einer Platine, insbesondere im Flanschbereich an Stellen, wo eine Fügung durchgeführt werden soll. Von besonderem Vorteil ist dies für Schweißverbindungen, denn es hat sich gezeigt, dass durch die Wärmebehandlung von verzinkten hochhärtbaren Stahlblechen sich durch das Härten die Oberfläche der Zinkschicht teilweise durch Oxidauflagen so verändert, dass die Schweißbarkeit verringert wird. Werden diese Bereiche mit Absorptionsmassen weich gelassen, insbesondere durch eine Absorptionsmasse, die beispielsweise im Bereich des Flansches lang gestreckt ausgebildet ist und rundliche säulenförmige Vorsprünge besitzt, auf denen das Bauteil aufliegt, können Bereiche erzielt werden, bei denen die Zinkoberfläche nicht nachteilig verändert ist, so dass hier eine sehr gute Schweißbarkeit erhalten bleibt. Auch aus mechanischen Gründen ist dies vorteilhaft, weil die Schweißverbindungen in diesen weicheren Bereichen selbst duktiler bleiben und sogenannte Ausknöpfbrüche ermöglichen, so dass auch ein in der Industrie bevorzugtes Bruchbild erreicht wird.
Die Absorptionsmasse kann nach dem Ofenprozess auf der Rücklaufstrecke der Ofenträger aktiv durch eine Kühlstrecke gekühlt werden. Bevor die Absorptionsmasse erneut in den Ofen kommt, ist durch diese Kühlstrecke sichergestellt, dass die Temperatur der Masse immer eine konstante niedrige Temperatur aufweist. Es können unterschiedliche Kühlmedien verwendet werden um die Absorptionsmasse abzukühlen, wie zum Beispiel Pressluft oder Stickstoff.
Die Ofenträger können in der Weise modifiziert werden, dass man die Absorptionsmasse mittels Roboter oder geeigneter Vorrichtung auf die Ofenträger aufstecken und abziehen kann. Dies kann im Serienprozess wie folgt realisiert werden. Die Ofenträger werden oberhalb des Ofens zurückgeführt. Dabei verweilen die Ofenträger für ca. 20 Sekunden immer an derselben Stelle. Dort kann ein Roboter oder eine geeignete Vorrichtung positioniert werden, welcher die heiße Absorptionsmasse aus seiner Halterung entnimmt und anschließend eine kalte Absorptionsmasse aufsteckt. Die heiße Absorptionsmasse kann einem Kühlkreislauf (aktiv oder passiv) zugeführt werden, der die heiße Absorptionsmasse bis zur Wiederverwendung abkühlt. So wird sichergestellt, dass die Absorptionsmasse während des Ofenprozesses immer dieselbe Energie dem Bauteil im Ofen entzieht.
Dem partiellen Austenitisieren kann ein partielles Presshärten folgen.
Die Vorteile der Erfindung sind:

– Die Bauteilgeometrie wird prozesssicher gewährleistet, da das Bauteil beim Presshärten während des Abkühlens im Presswerkzeug gehalten wird.
– keine Erhöhung von Taktzeiten beim Presshärten
– kein extra Anlassen notwendig
– Es sind beliebige Festigkeiten zwischen 500 MPa und 1.500 MPa, je nach eingesetzter Absorptionsmasse auf den Ofenträgern gezielt erreichbar.
– überschaubare Investitionskosten
– Die Größe des jeweils duktilen Bereiches kann je nach Anwendungsfall frei variiert werden.
– frei wählbarer Härteübergangsbereich zwischen hart und weich

Um keine Oberflächenverschmutzungen oder Ausblühungen der Bauteiloberfläche durch die anliegende Absorptionsmasse zu erzeugen muss sichergestellt sein, dass die Auflagefläche der Absorptionsmasse nicht verschmutzt ist und nicht durch den ständigen Aufheiz- und Abkühlvorgangvorgang verzundert. Es ist entweder ein geeignetes Material als Absorptionsmasse zu verwenden oder eine entsprechende Oberflächenbeschichtung von Vorteil.

Claims

Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Temperaturerhöhung unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht und die Platine nach Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit in ein Umformwerkzeug überführt wird, in dem die Platine zu einem Bauteil umgeformt und gleichzeitig abschreckgehärtet wird oder die Platine kalt umgeformt wird und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das erhitzte Bauteil abgekühlt und dadurch abschreckgehärtet wird, wobei während des Erhitzens der Platine oder des Bauteils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur in Bereichen, die eine geringere Härte und/oder höhere Duktilität besitzen sollen, Absorptionsmassen anliegen, wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Wärmekapazität so dimensioniert ist, dass die in dem duktil verbleibenden Bereich auf das Bauteil einwirkende Wärmeenergie durch das Bauteil hindurch in die Absorptionsmasse fließt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absorptionsmasse verwendet wird, die aus einem wärmefesten Metall, wie einer Ampco-Legierung, einem Stahl oder dergleichen besteht, wobei die Absorptionsmasse mit zumindest einer Fläche so konturiert ausgebildet ist, dass sie an der Platine oder dem Bauteil anliegt oder zum Einstellen von Härteübergangsbereichen teilbereichsweise mit geringen Luftspalten von der Platine oder dem Bauteil beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsmasse oder die Absorptionsmassen auf einem Träger angeordnet sind, mit dem die Platine oder das Bauteil durch eine Erhitzungseinrichtung, wie ein Ofen, hindurchgeführt wird und die Platine oder das Bauteil während des Durchlaufs durch die Erhitzungseinrichtung auf der Absorptionsmasse oder den Absorptionsmassen aufliegt.