DE102010004823B4

DE102010004823B4 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils für Kraftfahrzeugkomponenten

Info

Publication number: DE102010004823B4
Application number: DE102010004823A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pohl Martin; Otto Buschsieweke; Stefan Adelberg
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2030-01-16
Also published as: US20120023748A1; DE102010004823A1; CN102134685A

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils (1, 1a, 1b) für Kraftfahrzeugkomponenten, welches mindestens eine Zone höherer Duktilität aufweist, wird zunächst eine Platine (10) aus einer Stahllegierung bereit gestellt, die, in Gewichtsprozenten ausgedrückt, aus Kohlenstoff (C) 0,18 bis 0,3 Silizium (Si) 0,1 bis 2,5 Mangan (Mn) 1,0 bis 2,5 Phosphor (P) maximal 0,025 Chrom (Cr) 0,1 bis 0,8 Molybdän (Mo) 0,1 bis 0,5 Schwefel (S) maximal 0,01 Titan (Ti) 0,02 bis 0,05 Bor (B) 0,002 bis 0,005 Aluminium (Al) 0,01 bis 0,06 Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht, worauf die Platine (10) auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950 °C homogen erwärmt, dann in einem Pressenwerkzeug (13) zum Formbauteil (1, 1a, 1b) umgeformt und dieses Formbauteil (1, 1a, 1b) noch im Pressenwerkzeug (13) vergütet wird, und dass anschließend das Formbauteil (1, 1a, 1b) partiell weichgeglüht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils für Kraftfahrzeugkomponenten, welches mindestens eine Zone mit einer höheren Duktilität aufweist, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Unter Duktilität wird bekanntlich die Eigenschaft eines Werkstoffs verstanden, sich bei Überbelastung plastisch stark verformen zu können, bevor er versagt. Insbesondere sind in der Automobilindustrie duktile Werkstoffe gefragt. So soll sich zum Beispiel die Karosserie eines Kraftfahrzeugs im Falle eines Unfalls mindestens hinsichtlich bestimmter Formbauteile plastisch verformen können und nicht auseinanderreißen. Derartige Formbauteile sind unter anderem Türaufprallträger oder Stoßfänger.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Formbauteile mit über ihre gesamte Erstreckung gleichbleibenden Werkstoffeigenschaften zu versehen. Dies geschieht durch eine komplette Vergütung der Formbauteile.
Aufgrund der mit einer Vergütung erreichten hohen Festigkeitswerte mit Zugfestigkeiten R_m von ca. 1500 N/mm² sinkt jedoch die Duktilität der Werkstoffe. Sie verlieren damit ihr Vermögen, sich bleibend verformen zu können. Die Bruchdehnung A₅ liegt üblicherweise bei ca. 10%.
Im Umfang der US 5,192,376 ist ein Verstärkungsrohr für eine Automobilkarosserie aus einer Stahllegierung bekannt, zu dessen Herstellung ein Stahl gewalzt und eine dann von einem Stahlband abgeteilte Stahlplatine noch im heiß gewalzten Zustand bei einer Temperatur von 600°C oder höher eingerollt wird. Anschließend wird das so hergestellte Rohr zur Steigerung der Festigkeit einer Abschreckhärtung unterzogen.
Die EP 0 585 843 A2 offenbart, eine Stahlplatine einer hoch energetischen Wärmebehandlung mittels Laserbestrahlung zu unterziehen, um auf diese Weise Zonen mit erhöhten Festigkeitswerten zu erzeugen.
Ein unterschiedliches plastisches Steifigkeitsverhalten von in einem Werkzeug vergüteten Pressformbauteilen kann auch mittels partiellen Auswalzens von Ausgangsplatinen vor der Umformung erreicht werden. Bei dieser Maßnahme werden die Wanddicken der Pressformbauteile bereichsweise verringert.
In verschiedenen Anwendungsfällen der Kraftfahrzeugtechnik werden an den Formbauteilen Zonen mit einer höheren Duktilität dadurch geschaffen, dass beispielsweise Schließbleche in Form von Einlagen aus weicheren Stahlqualitäten in das Formbauteil integriert werden. Hiermit ist jedoch ein hoher Fertigungs- und Kostenaufwand verbunden. Darüber hinaus wird das Leergewicht der Formbauteile erheblich heraufgesetzt.
Darüber hinaus ist es bekannt, Wanddickenreduktionen partiell walztechnisch durchzuführen, um auf diese Weise Zonen mit unterschiedlichen Steifigkeitsverhalten zu erzeugen. Diese Maßnahme ist ebenfalls mit hohen Investitions- und Fertigungskosten verbunden. Im Übrigen stößt die walztechnische Bearbeitung in Abhängigkeit von der Konfiguration der jeweils zu walzenden Zone vergleichsweise schnell an verfahrenstechnische Grenzen.
Dies ist insbesondere beim Walzen von schmalen Zonen der Formbauteile der Fall.
Bei der zuletzt erwähnten Maßnahme, dass heißt bei der Herstellung von Formbauteilen mit zumindest einer schmalen langen duktilen Zone, zählt es zum Stand der Technik, die Formbauteile zu formen und zu vergüten. Hierzu wird eine Platine komplett auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen erwärmt, in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umgeformt und dann noch im Pressenwerkzeug vergütet. Im Anschluss daran werden partielle Bereiche des Formbauteils in den jeweils gewünschten Zonen partiell nacherwärmt. Hierbei wird eine Schnellerwärmung in den erfindungsgemäßen Temperatur- und Zeitgrenzen durchgeführt ( DE 197 43 802 A1 ).
Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils für Kraftfahrzeugkomponenten zu schaffen, bei welchem jedes Formbauteil mit mindestens einer Zone höherer Duktilität im Vergleich zu den bekannten Maßnahmen unter Berücksichtigung der Variationsbreite hinsichtlich der geometrischen Konfiguration der duktilen Zone deutlich einfacher, effizienter und damit wirtschaftlicher gestaltet werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.
Zur Verwirklichung des Verfahrens unter Einbeziehung der gattungsgemäßen Merkmale wird nach dem Vergüten des Formbauteils dieses gezielt partiell weichgeglüht, wobei der Aufheizvorgang beim Weichglühen innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 30 Sekunden durchgeführt wird.
Aufgrund des zeitlich gezielt vorgenommenen abschließenden partiellen Weichglühens des Formbauteils unterhalb der PS-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm können insbesondere Defekte, wie Versetzungen, ausgeheilt und Spannungen im Material des Formbauteils verringert werden. Dann erfolgt eine Rekristallisation, bei der sich neue Kerne bilden und stark gespannte Kristallite ersetzen. Schließlich erfolgt ein Kristallwachstum. Bei dem Glühvorgang ist es unerheblich, in welchem Zustand sich das Gefüge vor dem Weichglühen befindet. Im Vordergrund steht nur die Veränderung der Bruchdehnung und der Härte. Dank der Glühtemperatur verliert der streifenförmige Zementit an Festigkeit und kann seinem Streben nach einem Körper mit möglichst geringer Oberfläche nachgeben. Es bildet sich körniges Zementit. Dadurch ist der Werkstoff leichter umformbar und auch spanbar.
Der Aufheizvorgang beim Weichglühen kann nach der Erfindung unter Anwendung verschiedener Maßnahmen erfolgen. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Aufheizvorgang induktiv durchgeführt wird.
Er kann aber auch konduktiv erfolgen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Aufheizvorgang per Strahlung durchzuführen.
Schließlich ist es noch denkbar, offene Brenner beim Aufheizvorgang einzusetzen.
Gegebenenfalls kann auch eine Kombination der verschiedenen Heizmaßnahmen erfolgen.
Um Geometrieverzüge eines Formbauteils beim Abkühlvorgang des Weichglühens zu vermeiden, kann es von Vorteil sein, dass das Formbauteil beim Abkühlvorgang in einer Spannvorrichtung gehalten wird.
Beispielsweise kann ein Umformwerkzeug als Spannvorrichtung verwendet werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Perspektive einen im Querschnitt hutförmigen Formbauteil mit einer quer verlaufenden duktilen Zone;
2 ebenfalls in schematischer Perspektive einen im Querschnitt hutförmigen Formbauteil mit einer streifenförmigen duktilen Zone im Steg;
3 nochmals in schematischer Perspektive einen im Querschnitt hutförmigen Formbauteil mit streifenförmigen duktilen Zonen an den Flanschen und
4 im Schema eine Fertigungsfolge zur Herstellung der Formbauteile der 1 bis 3.
In den 1 bis 3 sind stark vereinfacht im Querschnitt hutförmige Formbauteile 1, 1a, 1b für die Herstellung von ansonsten nicht näher veranschaulichten Kraftfahrzeugkomponenten dargestellt. Bei diesen Kraftfahrzeugkomponenten kann es sich zum Beispiel um Türaufprallträger oder Stoßfänger handeln. Diese Formbauteile 1, 1a, 1b besitzen jeweils einen Steg 2, zwei sich an den Steg 2 anschließende Schenkel 3 sowie zwei endseitig der Schenkel 3 vorgesehene, quer abstehende Flansche 4.
Bei der Ausführungsform der 1 befindet sich etwa im mittleren Längenbereich eine sich quer über den Steg 2, die Schenkel 3 und die Flansche 4 erstreckende Zone 5, in Längsrichtung des Stegs 2 ein streifenförmiger Bereich 5, in welcher der Werkstoff des Formbauteils 1 im Vergleich zu den übrigen Bauteilbereichen 2–4 mit einem geringen plastischen Verformungsvermögen bzw. Streifigkeitsverhalten eine geringere Festigkeit mit hoher Duktilität aufweist.
Bei dem Formbauteil 1a der 2 ist in Längsrichtung des Stegs 2 eine streifenförmige Zone 6 vorgesehen, in welcher der Werkstoff des Formbauteils 1a im Vergleich zu den übrigen Bauteilbereichen 2–4 mit einem geringen plastischen Verformungsvermögen bzw. Streifigkeitsverhalten ebenfalls eine geringere Festigkeit mit hoher Duktilität aufweist.
Im Falle der Ausführungsform der 3 befinden sich Zonen 7 mit hoher Duktilität an den Flanschen 4 des Formbauteils 1b. Beim Ausführungsbeispiel sind die gesamten Flansche 4 als Zonen 7 mit hoher Duktilität gestaltet.
Zur Herstellung der Formbauteile 1, 1a, 1b gemäß den 1 bis 3 wird entsprechend der Darstellung der 4 zunächst ein Coil 8 mit einem bandförmigen Ausgangsmaterial 9 bereit gestellt, das in Gewichtsprozenten ausgedrückt, aus
Kohlenstoff (C) 0,18 bis 0,3
Silizium (Si) 0,1 bis 0,7
Mangan (Mn) 1,0 bis 2,5
Phosphor (P) maximal 0,025
Chrom (Cr) 0,1 bis 0,8
Molybdän (Mo) 0,1 bis 0,5
Schwefel (S) maximal 0,01
Titan (Ti) 0,02 bis 0,05
Bor (B) 0,002 bis 0,005
Aluminium (Al) 0,01 bis 0,06
Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen
besteht.
Von diesem Coil 8 wird das Ausgangsmaterial 9 in Richtung des Pfeils Pf abgezogen und in einer nicht näher veranschaulichten Vorrichtung in Platinen 10 geteilt.
Die Platinen 10 werden dann auf einer Transportvorrichtung 11 liegend gemäß dem Pfeil Pf₁ durch einen Ofen 12 bewegt, in welchem die Platinen 10 auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen erwärmt werden. Die Art der Erwärmung ist beliebig.
Im Anschluss an die homogene Erwärmung wird jede Platine 10 in einem Pressenwerkzeug 13 zu einem im Querschnitt hutförmigen Formbauteil 1, 1a, 1b gemäß der 1 bis 3 umgeformt. Dabei wird das jeweilige Formbauteil 1, 1a, 1b noch im Pressenwerkzeug 13 in nicht näher veranschaulichter Weise vergütet.
Nach dem Umformen und Vergüten im Pressenwerkzeug 13 wird jedes Formbauteil 1, 1a, 1b partiell weichgeglüht, und zwar hinsichtlich des Formbauteils 1 der 1 quer in einer mittleren Zone 5, hinsichtlich des Ausführungsbeispiels der 2 streifenförmig in Längsrichtung des Stegs 2 des Formbauteils 1a und bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ebenfalls streifenförmig hinsichtlich der kompletten Flansche 4 des Formbauteils 1b.
Dieses partielle Weichglühen der Formbauteile 1, 1a, 1b wird zweckmäßig unterhalb der PS-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm durchgeführt, wobei der Aufheizvorgang beim Weichglühen innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 30 Sekunden erfolgt.
Dieser Aufheizvorgang kann in einer Heizanlage 14 erfolgen, in welcher die Formbauteile 1, 1a, 1b auf einem Förderer 15 vorübergehend lagefixiert werden. Der Aufheizvorgang kann induktiv, konduktiv, per Strahlung oder mit offenen Brennern durchgeführt werden. Die eigentliche Heizvorrichtung ist schematisiert mit 16 angedeutet, wobei ihre Position in der Heizanlage 14 variieren kann. Der Förderer 15 bewegt sich in Richtung der Pfeile Pf₂.
Bei dem sich an den Aufheizvorgang des Weichglühens anschließenden Abkühlvorgang wird gemäß 4 das jeweilige Formbauteil 1, 1a, 1b in einer Spannvorrichtung 17 gehalten, die beispielsweise als Umformwerkzeug ausgebildet und wie das Pressenwerkzeug 13 gestaltet sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Formbauteil
1a: Formbauteil
1b: Formbauteil
2: Steg v. 1, 1a, 1b
3: Schenkel v. 1, 1a, 1b
4: Flansche v. 1, 1a, 1b
5: Zone v. 1
6: Zone v. 1a
7: Zonen an 1b
8: Coil
9: Ausgangsmaterial
10: Platinen
11: Transportvorrichtung
12: Ofen
13: Pressenwerkzeug
14: Heizanlage
15: Förderer
16: Heizvorrichtung
17: Spannvorrichtung
Pf: Pfeil
Pf₁: Pfeil
Pf₂: Pfeile

Claims

Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils (1, 1a, 1b) für Kraftfahrzeugkomponenten, welches mindestens eine Zone (5, 6, 7) höherer Duktilität aufweist, bei welchem zunächst eine Platine (10) aus einer Stahllegierung bereit gestellt wird, die, in Gewichtsprozenten ausgedrückt, aus Kohlenstoff (C) 0,18 bis 0,3 Silizium (Si) 0,1 bis 0,7 Mangan (Mn) 1,0 bis 2,5 Phosphor (P) maximal 0,025 Chrom (Cr) 0,1 bis 0,8 Molybdän (Mo) 0,1 bis 0,5 Schwefel (S) maximal 0,01 Titan (Ti) 0,02 bis 0,05 Bor (B) 0,002 bis 0,005 Aluminium (Al) 0,01 bis 0,06 Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht, worauf die Platine (10) auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen erwärmt, dann in einem Pressenwerkzeug (13) zum Formbauteil (1, 1a, 1b) umgeformt und dieses Formbauteil (1, 1a, 1b) noch im Pressenwerkzeug (13) vergütet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Vergüten das Formbauteil (1, 1a, 1b) partiell weichgeglüht wird, wobei der Aufheizvorgang beim Weichglühen innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 30 Sekunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufheizvorgang beim Weichglühen induktiv durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufheizvorgang beim Weichglühen konduktiv durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufheizvorgang beim Weichglühen per Strahlung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufheizvorgang beim Weichglühen mit offenen Brennern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abkühlvorgang des Weichglühens das Formbauteil (1, 1a, 1b) in einer Spannvorrichtung (17) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umformwerkzeug als Spannvorrichtung (17) verwendet wird.