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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität aus einer ebenen oder vorgeformten Platine aus einem härtbaren Stahl, bei welchem die Platine in einer Erwärmungseinrichtung in einem ersten Bereich auf eine Temperatur A und in einem zweiten Bereich auf eine Temperatur B oberhalb von Temperatur A erwärmt wird und bei welchem die Platine anschließend in einem Warmumform- und Härtewerkzeug geformt und bereichsweise gehärtet wird, wobei sich beim härten der Platine in dem auf Temperatur B aufgeheizten zweiten Bereich ein festes oder hochfestes Gefüge und in dem zuvor auf Temperatur A erwärmten ersten Bereich ein im Verhältnis zu dem auf Temperatur B erwärmten zweiten Bereich duktileres Gefüge einstellt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Erwärmungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, die Senkung des CO2-Ausstoßes und die Erhöhung der Insassensicherheit sind heute und in Zukunft wichtige Ziele des Automobilbaus. Es besteht daher ein stark zunehmender Bedarf an Karosseriebauteilen mit einem günstigen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Hierzu gehören insbesondere A- und B-Säulen, Seitenaufprallschutzträger in Türen, Schweller, Rahmenteile, Stoßstangenfänger, Querträger für Boden und Dach sowie vordere und hintere Längsträger. Das von der Stahlindustrie entwickelte Karosserieblech aus dem martensit-aushärtbaren Vergütungsstahl 22MnB5 bietet heute die Möglichkeit, derartige Bauteile, die teilweise eine komplexe Tiefziehgeometrie aufweisen, mit Bauteilfestigkeiten bis zu 1.700 MPa herzustellen.
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Um diese Möglichkeit in der industriellen Praxis nutzen zu können, wurde die als Presshärten oder Formhärten bezeichnete Fertigungstechnologie entwickelt. Diese Fertigungstechnologie verbindet den Vorteil der Warmumformung, komplexe Tiefziehteile ohne nennenswerte Rückfederung in einem einzigen Zug herstellen zu können, mit der schon lange bekannten Möglichkeit der Festigkeitssteigerung von Stahlwerkstoffen durch Martensitbildung. Beim Härten erzeugt man durch Erwärmen des bei Raumtemperatur vorliegenden ferritischen Gefüges auf die sogenannte Härtetemperatur oberhalb AC3 ein vollständig austenitisches Gefüge. Anschließend wird beim Härten durch schnelles Abkühlen der Austenit vollständig in Martensit umgewandelt.
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Beim Presshärten wird das austenitisierte Gefüge vor dem Härten zunächst umgeformt und erst nach dem Warmumformen gehärtet. Dieser Härteprozess findet im geschlossenen, kalten Umformwerkzeug durch Kontakt der heißen Werkstückoberfläche mit der kalten Werkzeugoberfläche statt. Daher wird der Blechzuschnitt zunächst bis zur vollständigen Austenitisierung beispielsweise in einem Durchlaufofen erwärmt. Anschließend wird der vollständig austenitisierte Blechzuschnitt zu einer Tiefziehpresse gebracht und in das Ziehwerkzeug eingelegt, durch Schließen des Werkzeugs umgeformt und im geschlossenen Werkzeug gehärtet.
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Im Kraftfahrzeugbereich werden zunehmend speziell für die vorgegebenen Belastungsanforderungen angefertigte Karosserieteile verwendet, wobei die Belastungsanforderungen von dem vorgesehenen Einsatzzweck solcher Karosserieteile oder Tragstrukturkomponenten abhängen. Beispielsweise ist bei einer B-Säule einer Kraftfahrzeugkarosserie vorgesehen, dass diese im Thorax-Bereich, also in einem in Vertikalrichtung gesehenen mittleren Abschnitt, eine verhältnismäßig hohe Festigkeit aufweist, während sie in den oben und unten an die Kraftfahrzeugkarosserie angrenzenden Bereichen eine im Verhältnis dazu höhere Duktilität aufweisen soll.
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In der
DE 102 56 621 B3 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Duktilität aus einem Halbzeug aus härtbarem Stahl mit einer Erwärmung in einem Durchlaufofen und einem Härteprozess offenbart. Dabei ist vorgesehen, dass das zu erwärmende Halbzeug während des Transports durch den Durchlaufofen gleichzeitig mindestens zwei nebeneinander in Durchlaufrichtung angeordnete Zonen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus passiert und dabei unterschiedlich stark erwärmt wird, sodass sich bei einem anschließenden Härteprozess mindestens zwei Gefügebereiche unterschiedlicher Duktilität einstellen. Die beiden Zonen sind voneinander mittels einer Trennwand getrennt, sodass ein den Ofen durchlaufendes Werkstück sich bereichsweise sowohl in der einen als auch in der anderen Zone befindet und in beiden Zonen eine getrennte Temperaturregelung möglich ist. Dieser Mehrzonenofen ist allerdings ein Spezialofen für partiell zu erwärmende Bauteile.
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Aus der
DE 102 12 819 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils mittels elektrischem Widerstandserwärmen mit anschließendem Härten durch schnelles Abkühlen bekannt, wobei während des Widerstandserwärmens gezielt Bereiche gekühlt oder elektrisch und/oder thermisch überbrückt werden, um in diesen Bereichen unterhalb der Austenitisierungstemperatur zu bleiben, sodass in dem Bauteil ungehärtete Bereiche verbleiben.
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Die
EP 1 180 470 B1 beschreibt eine B-Säule, die ebenfalls Bereiche unterschiedlicher Festigkeit besitzt. Die Herstellung der B-Säule erfolgt im Warmformprozess, wobei ausgehend von einer Formplatine oder einem vorgeformten Längsprofil dieses in einem Ofen austenitisiert und anschließend in einem gekühlten Werkzeug umgeformt/gehärtet wird. Im Ofen können großflächige Bereiche des Werkstücks gegen die Temperatureinwirkung isoliert werden, wobei in diesen Bereichen die Austenitisierungstemperatur nicht erreicht wird und sich demnach im Werkzeug bei der Härtung kein martensitisches Gefüge einstellt.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2008 062 270 A1 eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum partiellen Härten eines metallischen Werkstücks bekannt, bei welchem das Werkstück mittels einer Fördereinrichtung in einem Durchlaufofen entlang einer Förderrichtung transportiert und mittels einer Heizeinrichtung partiell erwärmt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung zumindest eine Heizzone erzeugt, die mit dem Werkstück in Förderrichtung bewegt wird.
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Die
DE 10 2007 012 180 B3 beschreibt ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Halbzeugen aus Metall, insbesondere Stahl, vornehmlich in Form eines vorgeformten Bauteils oder einer Platine, in einem Durchlaufofen, insbesondere Rollenherdofen, das sich dadurch auszeichnet, dass das Halbzeug in eine erste Zone des Durchlaufofens eingebracht wird, die auf eine erste Temperatur eingestellt ist, dass nachfolgend das Halbzeug teilweise in eine in Durchlaufrichtung des Halbzeugs folgende zweite Zone des Durchlaufofens transportiert wird, die auf eine zweite, gegenüber der ersten Temperatur unterschiedliche Temperatur eingestellt ist, sodass sich ein erster Teilbereich des Halbzeugs in der ersten Zone und ein zweiter Teilbereich des Halbzeugs in der zweiten Zone befindet, dass dann das Halbzeug in dieser Lage verbleibt, bis seine Teilbereiche die Temperatur der beiden Zonen angenommen haben, und dass dann das so erwärmte Halbzeug einem nachfolgenden Behandlungs- und/oder Umformprozess zugeführt wird.
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In der
DE 10 2008 030 279 A1 wird vorgeschlagen, einen Bauteilrohling aus einem härtbaren Stahl in einer Erwärmungseinrichtung auf eine homogene Temperatur kleiner dem AC
3-Punkt der Legierung zu erwärmen. Anschließend wird der Bauteilrohling mittels eines Infrarot-Lampenfelds in Bereichen erster Art auf eine Temperatur oberhalb des AC
3-Punkts der Legierung gebracht und der Bauteilrohling in einem Warmform- und Härtewerkzeug in den Bereichen erster Art gehärtet. Dadurch wird ein Formbauteil aus Stahl mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität erzeugt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und wirtschaftlicheres Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität zur Verfügung zu stellen. Hierbei sollen definiert voneinander abgegrenzte unterschiedliche Temperaturbereiche in der Platine eingestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 5 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei welchem die Platine in der Erwärmungseinrichtung derart mit zumindest einer mindestens zwei Heizsegmente aufweisenden Heizplatte der Erwärmungseinrichtung in direkte Anlage gebracht wird, dass das erste, auf eine Temperatur A eingestellte Heizsegment den ersten Bereich der Platine auf eine Temperatur A und das. zweite, auf eine Temperatur B eingestellte Heizsegment den zweiten Bereich der Platine auf Temperatur B erwärmt, wobei die Erwärmung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs der Platine jeweils durch Wärmeleitung erfolgt. Durch das Erwärmen der Platine mittels Kontakterwärmung, also durch Wärmeleitung, wird eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Platine gewährleistet, da die Wärmeaufnahme durch den direkten Kontakt besser ist als, wie beispielsweise in einem Durchlaufofen, über Luft. Durch die direkt an der Platine anliegenden Heizsegmente lassen sich definiert voneinander abgegrenzte Temperaturbereiche in der Platine einstellen. Im Vergleich zu einem Durchlaufofen, in welchem ein vergleichsweise großer Raum aufgeheizt werden muss, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein geringerer Energiebedarf erforderlich. Außerdem ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Erhöhung der Prozesssicherheit, ein geringerer Platzbedarf und geringere Betriebsmittelinvestitionen.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Erwärmungseinrichtung zwei jeweils zwei Heizsegmente aufweisende Heizplatten aufweist, wobei die Platine zwischen den Heizplatten angeordnet und mit beiden Heizplatten in direkte Anlage gebracht wird. Durch die gleichzeitige Erwärmung der beiden Platinenoberflächen erfolgt eine besonders schnelle und gleichmäßige Erwärmung auf die jeweils gewünschten Temperaturen in der Platine. Weiterhin wird durch die direkt an den Platinenoberflächen anliegenden Heizplatten verhindert, dass sich die Platine während der Erwärmung verzieht oder verformt.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Heizplatten nach der Anordnung der Platine zwischen den Heizplatten relativ zueinander verfahren werden. Hierdurch wird die Platine prozesssicher in der Erwärmungseinrichtung angeordnet und fixiert, sodass sich definiert voneinander begrenzte Temperaturbereiche in der Platine einstellen lassen.
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Welche Temperatur man für das jeweilige Heizsegment einstellt, hängt von den gewünschten Eigenschaften des Formbauteils in den einzelnen Bereichen ab.
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Wenn die Temperatur A des ersten Heizsegments unterhalb des AC1-Punkts des härtbaren Stahls der Platine, insbesondere zwischen 770 und 790°C, eingestellt wird, findet in der Erwärmungseinrichtung keine Gefügeumwandlung statt. Folglich bleibt bei einem anschließenden Härteprozess das Gefüge in dem ersten Bereich der Platine erhalten und es findet keine Härtung statt.
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Wenn die Temperatur B des zweiten Heizsegments oberhalb des AC3-Punkts des härtbaren Stahls der Platine, insbesondere zwischen 920 und 940°C, eingestellt wird, findet eine nahezu vollständige Gefügeumwandlung in dem zweiten Bereich der Platine statt. Bei dem nachfolgenden Härteprozess stellt sich in diesem Bereich ein festes oder hochfestes Gefüge ein.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Erwärmungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Erwärmungseinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche 7 bis 13 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Erwärmungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, bei welcher eine Heizplatte der Erwärmungseinrichtung zumindest zwei auf unterschiedliche Temperaturen einstellbare, nebeneinander angeordnete Heizsegmente aufweist, mittels welcher die an dem jeweiligen Heizsegment anlegbaren Bereiche einer zu erwärmenden Platine durch Wärmeleitung auf unterschiedliche Temperaturen erwärmbar sind. Durch die direkte Anlage der beiden Heizsegmente werden die jeweiligen Bereiche der Platine durch Kontakterwärmung, also durch Wärmeleitung, besonders schnell erwärmt, da die Wärmeaufnahme durch unmittelbaren Kontakt zwischen den Heizsegmenten und der Platine besser ist als über Luft. Weiterhin lassen sich definiert voneinander abgegrenzte Temperaturbereiche erzeugen, wobei der Energiebedarf zum Erwärmen im Vergleich zu der Erwärmung in einem Durchlaufofen wesentlich geringer ist. Weiterhin sind die Betriebsmittelinvestitionen für die erfindungsgemäße Erwärmungseinrichtung ebenso wie der Platzbedarf wesentlich geringer als für einen Durchlaufofen.
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Eine besonders praxisnahe Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zwischen den benachbarten Heizsegmenten eine Isolationsschicht vorgesehen ist. Hierdurch wird ein Wärmeübergang zwischen den auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizten Heizsegmenten minimiert und gewährleistet, dass sich definiert voneinander abgegrenzte Temperaturbereiche in der Platine einstellen lassen.
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Außerdem erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die Heizplatte einen Grundkörper aufweist, welcher in einem der Platine zugewandten Bereich eine Verschleißschutzschicht aufweist. Hierdurch wird die Lebensdauer der beheizten Heizplatte bzw. der Heizsegmente signifikant erhöht und die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert.
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Eine praxisnahe Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Verschleißschutzschicht als zumindest eine Verschleißschutzplatte ausgebildet ist, welche lösbar an dem Grundkörper der Heizplatte fixiert ist. Durch die lösbare Fixierung ist es möglich, eine verschlissene Verschleißschutzplatte gegen eine neue Verschleißschutzplatte auszutauschen.
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In diesem Fall erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Verschleißschutzplatte mehrteilig ausgebildet ist. Hierdurch können ausschließlich die in den während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders beanspruchten Bereichen angeordneten Verschleißschutzplatten der Heizplatten ausgewechselt werden. In vorteilhafter Weise ist jedem Heizsegment jeweils eine Verschleißschutzplatte zugeordnet.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass den zumindest zwei Heizsegmenten jeweils eine insbesondere als Heizwendel oder Heizpatrone ausgebildete Heizeinrichtung zugeordnet ist, welche getrennt ansteuerbar sind. Hierdurch ist es möglich, die jeweiligen Bereiche der Platine prozesssicher auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen.
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Eine andere besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die Erwärmungseinrichtung eine zweite Heizplatte mit zumindest zwei auf unterschiedliche Temperaturen einstellbaren, nebeneinander angeordneten Heizsegmenten aufweist, wobei die zweite Heizplatte zur Erwärmung der Platine auf einer der ersten Heizplatte abgewandten Seite der Platine an die Platine anlegbar ist. Durch die beidseitige Erwärmung der Platine wird eine schnelle Erwärmung der Platine gewährleistet.
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Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die beiden Heizplatten relativ zueinander verfahrbar sind. Hierdurch kann die Platine in einer definierten Lage zwischen den Heizplatten angeordnet und prozesssicher erwärmt werden. Weiterhin kann das Verfahren der Heizplatten automatisiert erfolgen, sodass die Erwärmungseinrichtung problemlos in eine Warmformlinie zum Herstellen von gehärteten Formbauteilen integriert werden kann.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Diese zeigt in
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1 bis 3 eine schematische Darstellung einer Erwärmungseinrichtung mit zwei Heizplatten, welche in unterschiedlichen Funktionsstellungen angeordnet sind;
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4 eine vergrößerte Darstellung einer Heizplatte der Erwärmungseinrichtung.
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Die 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Erwärmungseinrichtung 1 zur Erwärmung einer ebenen oder vorgeformten Platine 2 aus einem härtbaren Stahl, bei welcher eine untere Heizplatte 3 und eine obere Heizplatte 4 der Erwärmungseinrichtung 1 in unterschiedlichen Funktionsstellungen angeordnet sind. Die beiden relativ zueinander verfahrbaren Heizplatten 3, 4 weisen jeweils zwei auf unterschiedliche Temperaturen aufheizbare Heizsegmente 5, 6 auf, wobei zwischen den beiden Heizsegmenten 5, 6 der beiden Heizplatten 3, 4 jeweils eine Isolationsschicht 7 angeordnet ist.
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Die Platine 2 wird zunächst auf der unteren Heizplatte 3 angeordnet (1) und anschließend wird die obere Heizplatte 4 derart relativ zu der unteren Heizplatte 3 verfahren, dass die beiden Heizplatten 3, 4 in direkte Anlage mit der Platine 2 kommen (2). Das auf eine Temperatur A aufgeheizte erste Heizsegment 5 erwärmt einen ersten Bereich 8 der Platine 2 auf die Temperatur A, während das zweite Heizsegment 6 einen zweiten Bereich 9 der Platine 2 auf eine Temperatur B oberhalb von A erwärmt. Die Erwärmung des ersten Bereichs 8 und des zweiten Bereichs 9 der Platine 2 erfolgt durch direkten Kontakt mit den jeweiligen Heizsegmenten 5, 6 der beiden Heizplatten 3, 4, also durch Kontakterwärmung bzw. Wärmeleitung.
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Im Anschluss an die Erwärmung der Platine 2 wird die obere Heizplatte 4 derart relativ zu der unteren Heizplatte 3 verfahren, dass die auf die definierten Temperaturen aufgeheizte Platine 2 aus der Erwärmungseinrichtung 1 entnommen werden kann.
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Anschließend wird die erwärmte Platine 2 in einem nicht dargestellten Warmumform- und Härtewerkzeug geformt und bereichsweise gehärtet, wobei sich beim Härten der Platine 2 in dem auf Temperatur B aufgeheizten zweiten Bereich 9 ein festes oder hochfestes Gefüge und in dem zuvor auf Temperatur A erwärmten ersten Bereich 8 ein im Verhältnis zu dem auf Temperatur B erwärmten zweiten Bereich 9 duktileres Gefüge einstellt.
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Das erste Heizsegment 5 der Heizplatten 3, 4 wird auf eine Temperatur A unterhalb des AC1-Punkts des härtbaren Stahls der Platine 2, je nach verwendetem Material zwischen 770 und 790°C, aufgeheizt, sodass in dem ebenfalls auf Temperatur A erwärmten ersten Bereich 8 der Platine 2 keine Gefügeumwandlung stattfindet. Folglich bleibt bei einem nachfolgenden Härteprozess in dem Umformwerkzeug das duktile Gefüge in dem ersten Bereich 8 der Platine 2 erhalten.
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Das zweite Heizsegment 6 wird auf eine Temperatur B oberhalb des AC3-Punkts des härtbaren Stahls der Platine 2, je nach verwendetem Material zwischen 920 und 940°C aufgeheizt, sodass in dem ebenfalls auf Temperatur B erwärmten zweiten Bereich 9 der Platine 2 eine nahezu vollständige Gefügeumwandlung stattfindet. Bei dem nachfolgenden Härteprozess stellt sich in diesem Bereich 9 dann ein festes oder hochfestes Gefüge ein.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der Heizplatten 3, 4 der Erwärmungseinrichtung in einer Prinzipdarstellung. Die Heizplatte 3, 4 besteht aus einem Grundkörper 10 und einer Verschleißschutzschicht 11, welche auf einer der Platine zugewandten Seite des Grundkörpers 10 angeordnet ist. Die als Verschleißschutzplatte 12 ausgebildete Verschleißschutzschicht 11 ist lösbar an dem Grundkörper 10 fixiert. Zur Beheizung der Heizsegmente 5, 6 auf die jeweiligen Temperaturen weisen diese insbesondere als Heizpatronen 13 oder Heizwendeln 14 ausgebildete Heizeinrichtungen 15 auf, wobei diese getrennt ansteuerbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erwärmungseinrichtung
- 2
- Platine
- 3
- Untere Heizplatte
- 4
- Obere Heizplatte
- 5
- Erstes Heizsegment
- 6
- Zweites Heizsegment
- 7
- Isolationsschicht
- 8
- Erster Bereich
- 9
- Zweiter Bereich
- 10
- Grundkörper
- 11
- Verschleißschutzschicht
- 12
- Verschleißschutzplatte
- 13
- Heizpatrone
- 14
- Heizwendel
- 15
- Heizeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10256621 B3 [0006]
- DE 10212819 B4 [0007]
- EP 1180470 B1 [0008]
- DE 102008062270 A1 [0009]
- DE 102007012180 B3 [0010]
- DE 102008030279 A1 [0011]
