DE102011108162B4

DE102011108162B4 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen eines Vorproduktes aus Stahl

Info

Publication number: DE102011108162B4
Application number: DE102011108162A
Authority: DE
Inventors: Thomas Evertz; Volker Flaxa; Michael Braun
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: RU2014106307A; KR20140050041A; US20140290322A1; US9943894B2; DE102011108162A1; EP2734652B1; KR102006963B1; RU2581948C2; WO2013010524A1; EP2734652A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen eines Vorproduktes aus Stahl, bei dem das Vorprodukt auf Umformtemperatur erwärmt und anschließend umgeformt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Ac1-Umwandlungstemperatur erfolgt und das Vorprodukt vor der Erwärmung eine Festigkeitssteigerung durch Kaltumformung erfährt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen eines Vorproduktes aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Als Vorprodukte werden nachfolgend z. B. Blechplatinen oder nahtlose bzw. geschweißte Rohre verstanden.
Derartige Bauteile werden hauptsächlich in der Automobilindustrie verwendet, aber auch im Maschinenbau oder Bauwesen bieten sich Einsatzmöglichkeiten.
Der heiß umkämpfte Markt zwingt die Automobilhersteller ständig nach Lösungen zur Senkung ihres Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer Beanspruchung im Betrieb wie auch im Crashfall.
Dieser Notwendigkeit versuchen die Vormateriallieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitstellung hoch- und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei der Fertigung und im Betrieb.
Diese Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer Verarbeitbarkeit beispielsweise bei der Kaltumformung und beim Schweißen genügen.
Unter den vorgenannten Aspekten gewinnt die Herstellung von Bauteilen aus warmumformbaren Stählen zunehmend an Bedeutung, da diese bei geringerem Materialaufwand die gestiegenen Anforderungen an die Bauteileigenschaften ideal erfüllen.
Die Herstellung von Bauteilen mittels Abschreckung von Vorprodukten aus presshärtbaren Stählen durch Warmumformen in einem Umformwerkzeug, ist aus der DE 601 19 826 T2 bekannt. Hier wird eine zuvor oberhalb der Austenitisierungstemperatur auf 800–1200°C erwärmte und ggf. mit einem metallischen Überzug aus Zink oder auf Basis von Zink versehene Blechplatine in einem fallweise gekühlten Werkzeug durch Warmumformung zu einem Bauteil umgeformt, wobei während des Umformens durch schnellen Wärmeentzug das Blech bzw. Bauteil im Umformwerkzeug eine Abschreckhärtung (Presshärtung) erfährt und dadurch die geforderten Festigkeitseigenschaften erreicht. Der metallische Überzug wird als Korrosionsschutz üblicherweise im kontinuierlichen Schmelztauchverfahren auf ein Warm- oder Kaltband bzw. auf das daraus hergestellte Vorprodukt aufgebracht, z. B. als Feuerverzinkung oder Feueraluminierung.
Anschließend wird die Platine für das Umformwerkzeug der Warmumformung passend zugeschnitten. Möglich ist auch, das jeweils umzuformende Werkstück, bzw. den Zuschnitt, mit einem Schmelztauchüberzug zu versehen.
Das Aufbringen eines metallischen Überzugs auf das umzuformende Vorprodukt vor dem Warmumformen ist bei diesem Verfahren von Vorteil, weil durch den Überzug eine Verzunderung des Grundmaterials und durch eine zusätzliche Schmierwirkung übermäßiger Werkzeugverschleiß wirksam vermieden werden.
Bekannte warmumformbare Stähle für diesen Einsatzbereich sind z. B. der Mangan-Bor-Stahl „22MnB5” und neuerdings auch luftvergütbare Stähle gemäß einer noch unveröffentlichten Patentanmeldung des Anmelders.
Die Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen mittels der bekannten Verfahren weist mehrere Nachteile auf.
Zum Einen benötigt dieses Verfahren durch die Aufheizung des Vorproduktes auf Austenitisierungstemperatur sowie der Umwandlung von Ferrit in Austenit sehr viel Energie, was das Verfahren teuer macht und erhebliche Mengen CO₂ produziert.
Außerdem ist zur Vermeidung einer übermäßigen Verzunderung der Blechoberfläche wie oben beschrieben eine zusätzliche metallische Schutzschicht oder eine Schutzschicht auf Lackbasis erforderlich oder eine erhebliche Nacharbeit der durch Erwärmung und Umformung verzunderten Oberfläche.
Da die Umformung bei Temperaturen oberhalb der Ac₃-Temperatur in der Regel deutlich oberhalb 800°C erfolgt, werden zudem extrem hohe Anforderungen bezüglich der Temperaturstabilität an diese Schichten gestellt.
Ein weiterer Nachteil ist auch, dass zur Erlangung entsprechender Bauteilfestigkeiten nach der Presshärtung nur umwandlungsfähige Stähle mit einer ausreichenden Umwandlungsträgheit eingesetzt werden können, die entsprechend teure Legierungszusätze für die zu erreichende Gefügestruktur und Härte nach der Umformung aufweisen müssen.
Zusammengefasst ist festzustellen, dass das bekannte Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Stahl durch Warmumformung oberhalb der Austenitisierungstemperatur aufgrund hoher Energiekosten und teurer Einsatzwerkstoffe sehr kostenintensiv ist, was zu entsprechend hohen Komponenten-Preisen führt. Zur Verbesserung des Umformvermögens hochfester Stähle ist aus der DE 10 2004 028 236 B3 außerdem bekannt, Werkstücke anstatt durch Kaltumformung durch Warmumformung bei Temperaturen von 400 bis 700°C weiter zu einem Bauteil zu verarbeiten (Halbwarmumformung). Nachteilig ist auch bei diesem Verfahren, dass eine hohe Bauteilfestigkeit nur über den Einsatz höherfester und damit teurer Einsatzwerkstoffe möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformung anzugeben, welches kostengünstig ist und mit dem vergleichbare oder verbesserte Eigenschaften des umgeformten Bauteils wie beim bekannten Warmumformen durch Presshärten erreicht werden.
Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem im Zuge des Verfahrens die Erwärmung des Vorproduktes auf eine Temperatur unterhalb der Ac₁-Umwandlungstemperatur erfolgt und das Vorprodukt vor der Erwärmung eine Festigkeitssteigerung durch Kaltumformung erfährt, wobei mit einem Kaltumformgrad von mindestens 3% umgeformt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem aus der DE 601 19 826 T2 bekannten Verfahren zur Herstellung eines Bauteils den Vorteil auf, dass bei deutlich geringerem Energiebedarf für die Erwärmung die Bauteilfestigkeit nach der Umformung im Wesentlichen durch die vorher in das Vorprodukt eingebrachte Kaltverfestigung erzielt wird. Dadurch werden Energie und Legierungskosten gespart. Die eingebrachten Versetzungen führen zu einer erheblichen Festigkeitssteigerung, die durch den Erwärmungsprozess nur unwesentlich reduziert wird, so dass die Festigkeit des Bauteils gezielt eingestellt werden kann. Versuche haben zudem gezeigt, dass die Duktilität des fertigen Bauteils gegenüber einem durch Presshärten hergestellten Bauteil deutlich gesteigert werden konnte.
Für Flachprodukte, wie z. B. Warmband, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das sogenannte „Kaltanwalzen”, also ein Walzen bei Raumtemperatur mit vergleichsweise geringen Umformgraden, genutzt, aus dem die umzuformenden Platinen geschnitten werden. Bei warmgewalzten nahtlosen oder geschweißten aus Warmband hergestellten Rohren werden diese einer entsprechenden Umformung z. B. durch Kaltziehen unterworfen.
Um einen wirksamen Effekt der zuvor in das Vorprodukt eingebrachten durch Kaltumformung erzielten Festigkeitssteigerung am fertigen Bauteil zu erreichen, sollte der Kaltumformgrad nicht unter 3% vorteilhaft nicht unter 5% liegen abhängig von dem eingesetzten Werkstoff des Vorproduktes.
Als vorteilhaft haben sich bei Warmband Umformgrade herausgestellt, die zwischen dem üblichen Dressierwalzen bei ca. 3% und dem Kaltwalzen bei ca. 50–80% liegen. Allerdings ist die Erfindung auch bei den hohen Umformgraden des Kaltwalzens problemlos anwendbar. In der Praxis haben sich Kaltumformgrade im Bereich von 5 bis 35% hervorragend bewährt.
Vergleichbare Umformgrade gelten für den Einsatz von Rohren als Vorprodukt.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass die so eingestellte erhebliche Steigerung der Versetzungsdichte durch im Vergleich zum klassischen Warmumformprozess mittels Presshärten deutlich geringere Wiedererwärmungstemperaturen unterhalb der Ac₁-Temperatur zu erheblichen Anteilen konserviert werden kann und somit dauerhaft auch nach dem Halbwarmumformen zur Festigkeit des umgeformten Produktes beiträgt. Die während der Umformung bei der niedrigen Umformtemperatur neu gebildeten Versetzungen bleiben zudem teilweise erhalten.
Gegenüber der DE 10 2004 028 236 B3 kann eine erhöhte Bauteilfestigkeit jetzt durch einen einfachen Kaltumformschritt am Vorprodukt vor der Warmumformung anstatt durch den Einsatz höherfester Werkstoffe erreicht werden.
Allerdings ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, zusätzlich zur Festigkeitssteigerung durch Kaltumformung des Vorproduktes höherfeste Werkstoffe einzusetzen, z. B. wenn eine sehr deutliche Festigkeitssteigerung des Bauteils erreicht werden soll.
Die Erfindung ist anwendbar bei Vorprodukten aus weichen bis hochfesten Stählen, z. B. mit Streckgrenzen von 140 MPa bis 1200 MPa, die mit einer zunder- bzw. korrosionshemmenden Schicht als metallischem Überzug versehen sein können. Der metallische Überzug kann Zn und/oder Mg und/oder Al und/oder Si enthalten.
Als höherfeste Stähle kommen alle einphasigen aber auch mehrphasige Stahlsorten zur Anwendung. Dazu gehören mikrolegierte höherfeste Stahlsorten genauso wie bainitische oder martensitische Sorten und Dual- oder Mehrphasenstähle.
Im Gegensatz zu gängigen Fertigungsrouten kann bereits oberflächenveredeltes Warmband für die Umformung im Anschluss an eine Erwärmung eingesetzt werden, da die Haftung und die Duktilität eine Halbwarmumformung mit geringen Umformgraden erträgt. Der metallische Überzug ist gegen kurzzeitige Wiedererwärmungen der Kombination Substrat/Beschichtung (Stahlband/Beschichtung) unterhalb der Ac₁-Temperatur des Substrats resistent, um die Wiedererwärmung vor der Halbwarmformung und der eigentlichen Halbwarmformung zu überstehen.
Aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmemenge kann auf großräumige Wiedererwärmungsaggregate, wie z. B. Tunnelöfen oder Kammeröfen, zugunsten schnell und direkt wirkender Systeme (induktiv, konduktiv und insbesondere Strahlung) verzichtet werden.
Außerdem kommt das beschriebene neue Verfahren mit erheblich weniger Wärmeenergie aus, bzw. der energetische Wirkungsgrad ist höher als beim Presshärten. Dadurch sind die Prozesskosten geringer und der CO₂ Ausstoß wird reduziert.
Bevorzugt erfolgt die Wiedererwärmung vor dem Halbwarmformen mittels Strahlung, da hier der Wirkungsgrad deutlich höher ist als bei einer Erwärmung in einem Ofen oder bei konduktiver Erwärmung und der Energieeintrag in das Material je nach Oberflächenbeschaffenheit schneller und effektiver erfolgt.
Durch den Einsatz von Strahlern ist es auch möglich, gezielt einzelne Bereiche des umzuformenden Werkstückes zu erwärmen, um belastungsoptimierte Bauteile zu erhalten.
Für den Transport zwischen Wärmequelle und Umformwerkzeug kann es weiterhin sinnvoll sein, besonders im Falle von sehr dünnen Blechen (z. B. < 0,8 mm), eine Profilierung der Zuschnitte zur Erhöhung der lokalen Steifigkeit vorzusehen. Dies ist beim konventionellen Presshärten nicht möglich, da die zu erzielende Festigkeit eine schroffe Abkühlung erfordert, welche sich über Leibung im Werkzeug aufgrund der Profilierung ausschließt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das kaltumgeformte Vorprodukt auf eine Temperatur von unterhalb 720°C vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 400–700°C erwärmt und anschließend zu einem Bauteil umgeformt. Die optimale Umformtemperatur ist abhängig von der geforderten Festigkeit des Bauteils und liegt bevorzugt etwa zwischen 540°C und 700°C.
Durch die Umformung (Pressen) werden zusätzlich zu dem vorherigen Kaltanwalzen weitere Versetzungen eingebracht, über die vorteilhaft eine weitere Festigkeitssteigerung eingestellt werden kann, da die Temperatur für eine vollständige Auslöschung der Versetzungen im Sinne der Rekristallisation oder Erholung bei industriell genutzten Taktzeiten von maximal 15 s je Bauteil bzw. deutlich darunter nicht ausreicht.
In Kombination mit der Behinderung von Versetzungen durch interstitiell gelöste Elemente (z. B. C, B, N) wird während des Pressvorgangs und der anschließenden Abkühlung eine weitere Festigkeitssteigerung durch den sogenannten „Bake-Hardening Effekt” oder durch eine zusätzliche Ausscheidungsbildung, z. B. VC, ermöglicht. Alternativ kann die Festigkeitssteigerung durch eine geregelte Abkühlung oder eine spätere Wärmebehandlung (z. B. Lackeinbrennen oder Spannungsarmglühen) erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Erwärmung des Vorproduktes auf Umformtemperatur eine lokale Überschreitung des Temperaturbereichs des Halbwarmformens in den Austenitisierungsbereich vorgenommen, um gezielt lokale Eigenschaftsänderungen vorzunehmen (z. B. lokale Härtung), die in Kombination mit der Festigkeitssteigerung des restlichen Materials den späteren Beanspruchungen des Bauteils angepasst sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Warmumformen eines Vorproduktes aus Stahl, bei dem das Vorprodukt auf Umformtemperatur erwärmt und anschließend umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Ac₁-Umwandlungstemperatur erfolgt und das Vorprodukt vor der Erwärmung eine Festigkeitssteigerung durch Kaltumformung erfährt, wobei mit einem Kaltumformgrad von mindestens 3% umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt mit einem Kaltumformgrad von mindestens 5% umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt mit einem Kaltumformgrad von mindestens 5–35% umgeformt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Vorproduktes auf eine Temperatur von unterhalb 720°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Vorproduktes in einem Temperaturbereich von 400 bis 700°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Vorproduktes in einem Temperaturbereich von 540 bis 700°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt vor der Erwärmung mit einem metallischen oder lackartigen Überzug versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt vor der Kaltumformung mit einem metallischen oder lackartigen Überzug versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Überzug Zn und/oder Mg und/oder Al und/oder Si enthält.
Verfahren nach mindestens einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf Umformtemperatur induktiv, konduktiv oder mittels Strahlung erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorprodukt eine Blechplatine oder ein Rohr verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechplatine aus Warmband besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr ein nahtlos warmgewalztes oder ein aus Warmband hergestelltes geschweißtes Rohr ist.