DE102012216468B3

DE102012216468B3 - Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils für eine Metallvorrichtung

Info

Publication number: DE102012216468B3
Application number: DE201210216468
Authority: DE
Inventors: Robert Ebner; Fritz-Josef Ebner; Thomas Fuchs
Original assignee: Ebner Industrieofenbau GmbH
Current assignee: Ebner Industrieofenbau GmbH
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-15
Also published as: TW201437378A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils für eine Metallvorrichtung. Gemäß dem Verfahren wird das Metallbauteil auf eine Austenitisierungstemperatur (Ta) erwärmt. Ein erster Bereich des Metallbauteils wird von der Austenitisierungstemperatur (Ta) auf eine erste Temperatur (T1) mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt. Die erste Abkühlgeschwindigkeit wird derart ausgewählt, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Ferrit und Perlit entstehen. Ferner wird gemäß dem Verfahren der erste Bereich des Metallbauteils von der ersten Temperatur (T1) auf eine zweite Temperatur (T2) mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt. Die zweite Abkühlgeschwindigkeit wird derart ausgewählt, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Bainit entstehen. Der erste Bereich des Metallbauteils wird von der zweiten Temperatur abgeschreckt, so dass insbesondere nach dem Abschrecken in dem ersten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit vorliegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils für eine Metallvorrichtung sowie ein entsprechend hergestelltes Metallbauteil für eine Metallvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Im Karosseriebau für Kraftfahrzeuge werden Bauteile bevorzugt, welche ein geringes Gewicht bei gleichzeitig gewünschter Festigkeit und gewünschtem Verformungsverhalten aufweisen. In Bereichen der Karosserie, die im Fall eines Crashs besonders hohen Belastungen ausgesetzt sein können, werden pressgehärtete Bauteile eingesetzt, die aus hochfesten Stählen erzeugt sind und unterschiedliche duktile Bereiche aufweisen. Als Beispiele für solche Bauteile sind die A- und B-Säule, die Stoßstange und Türaufprallträger eines Kraftfahrzeugs zu nennen.
Bauteile mit unterschiedlichen duktilen Bereichen werden beispielsweise mittels Presshärtens hergestellt. Ein Ausgangsmaterial bzw. eine Platine wird vor dem Presshärten erwärmt und anschließend in einem Presshärtewerkzeug umgeformt und abgeschreckt. Das Presshärtewerkzeug kann hierfür Einrichtungen zum gezielten Kühlen oder Erwärmen der Platine aufweisen.
Konventionelle Abkühlprofile der Platine benötigen während des Presshärtevorgangs eine hohe Produktionszeit, um das gewünschte Gefüge im Bauteil einzustellen. Gerade im Kraftfahrzeugbereich werden hohe Stückzahlen von solchen Bauteilen verarbeitet, sodass eine Verkürzung der Taktzeiten bei der Herstellung der Bauteile vorteilhaft ist.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres und schnelleres Herstellverfahren für ein Metallbauteil mit bestimmten duktilen Eigenschaften zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils für eine Metallvorrichtung, durch ein entsprechend hergestelltes Metallbauteil und durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Metallbauteils gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils für eine Metallvorrichtung beschrieben. Gemäß dem Verfahren wird das Metallbauteil auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt. Ein erster Bereich des Metallbauteils wird von der Austenitisierungstemperatur auf eine erste Temperatur mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt. Die erste Abkühlgeschwindigkeit wird derart ausgewählt, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils (insbesondere neben Austenitanteilen ausschließlich) Anteile von Ferrit und Perlit entstehen. Ferner wird gemäß dem Verfahren der erste Bereich des Metallbauteils von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt. Die zweite Abkühlgeschwindigkeit wird derart ausgewählt, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Bainit entstehen. Der erste Bereich des Metallbauteils wird von der zweiten Temperatur abgeschreckt, so dass insbesondere nach dem Abschrecken in dem ersten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit vorliegt.
Ein zweiter Bereich des Metallbauteils wird mit einer dritten Abkühlgeschwindigkeit von der Austenitisierungstemperatur abgeschreckt. Die dritte Abkühlgeschwindigkeit wird derart ausgewählt, dass in dem zweiten Bereich des Metallbauteils Anteile von Martensit entstehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Metallbauteil für eine Metallvorrichtung beschrieben, wobei ein erster Bereich des Metallbauteils mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Der erste Bereich weist ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit auf. Ein zweiter Bereich des Metallbauteils weist ein Gefüge mit Martensitanteilen auf, so dass der erste Bereich duktiler als der zweite Bereich ist.
Das Vormaterial bzw. die Grundplatine des Metallbauteils kann aus einem Stahl bestehen, der neben Eisen herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweisen kann. Ferner kann das Metallbauteil Legierungsbestandteile aufweisen, wie beispielsweise (in Gew.-%) C: 0,02–0,6%, Mn: 0,5–2,0%, Al: 0,01–0,06%, Si: 0,1% bis zu 0,4%, Cr: 0,1% bis zu 1,2%, P: 0 bis zu 0,035%, S: 0 bis zu 0,035%. Ferner kann das Metallbauteil ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe aus Ti, B, Mo, Ni, Cu und/oder N aufweisen, wobei Ti in einem Gehalt von 0 bis zu 0,05%, Cu in einem Gehalt von 0 bis zu 0,01%, B in Gehalten von 0,0008 bis 0,005%, Mo in Gehalten von 0 bis zu 0,3%, Ni in Gehalten von 0 bis zu 0,4%, N in Gehalten von 0 bis zu 0,01%, enthalten sein können. Besondere Bedeutung im Hinblick auf die Festigkeit des Bauteils kommt dem jeweiligen C-Gehalt zu. Die Gehalte an Si, Mn, Cr und B dienen z. B. der Bildung des Bainits und verringern die Entstehung größerer Martensitmengen im Gefüge des Bauteils.
Die Metallvorrichtung kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug darstellen und das Metallbauteil kann beispielsweise eine Kraftfahrzeugkomponente, wie z. B. eine A- oder B-Säule eines Kraftfahrzeugs, eine Stoßstange oder einen Türaufprallträger eines Kraftfahrzeugs, darstellen.
Die Austenitisierungstemperatur beträgt beispielsweise ungefähr 750°C bis ungefähr 1000°C, insbesondere ungefähr 850°C bis ungefähr 900°C, wobei die untere Grenze der Austenitisierungstemperatur von dem Material des Metallbauteils (Stahl- und Legierungsanteile) abhängt. Oberhalb der Austenitisierungstemperatur liegt ein vollständiges austenitisches Gefüge im Metallbauteil vor, wobei nicht gelöste Karbide noch vorhanden sein können. Austenit kommt bei Raumtemperatur nur in Legierungen vor, in unlegierten und niedriglegierten Stählen wird bei Unterschreitung der Austenitisierungstemperatur und einer folgenden langsamen Abkühlung der austenitische Gefügeanteil z. B. zu einem perlitischen Gefügeanteil umgewandelt.
Während der Abkühlung des Metallbauteils stellen sich abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit verschiedene Gefügeanteile im Metallbauteil ein, welche die Duktilität des fertigen Metallbauteils wesentlich beeinflussen. Beispielsweise ist ein Metallbauteil mit einem hohen Martensitanteil weniger duktil als ein Metallbauteil mit einem hohen Perlitanteil.
Welche Gefüge sich im Metallbauteil während des Abkühlens einstellen, kann aus einem Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (ZTU-Diagramm) entnommen werden. In 1 ist ein logarithmisches ZTU-Diagramm dargestellt. In dem ZTU-Diagramm kann die Gefügeentwicklung bei unterschiedlichen Temperaturverläufen bzw. Abkühlgeschwindigkeiten während des Abkühlens verfolgt werden.
Während des Abkühlens wird das gewünschte Gefüge in dem Metallbauteil gebildet. Anschließend wird das Metallbauteil zur Verfestigung des Gefüges zügig abgekühlt (bzw. abgeschreckt), um beispielsweise das gewünschte Gefüge im Metallbauteil bei Raumtemperatur herzustellen.
Mit dem vorliegenden Herstellverfahren wird ein Metallbauteil mit einem ersten Bereich aus einem Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit zügig hergestellt, ohne dass aufwändige Einrichtungen zum Halten einer bestimmten Temperatur während des Abkühlens des Bauteils notwendig sind. Bei konventionellen Ansätzen wird das Bauteil insbesondere zur Bildung von Bainit zunächst zügig auf eine Zwischentemperatur von z. B. 500°C abgeschreckt und anschließend auf dieser Zwischentemperatur nahezu isotherm über eine bestimmte Zeitdauer gehalten, bis das gewünschtes Zwischengefüge aus Bainitanteilen im Bauteil eingestellt ist. Anschließend wird das Bauteil abgeschreckt.
Gemäß dem Herstellverfahren der vorliegenden Erfindung ist es nicht länger notwendig, das Metallbauteil zwischenzukühlen bzw. isotherm auf einer bestimmten Zwischentemperatur zu halten. Daher ist es mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren nicht notwendig, das Metallbauteil mit komplexen Temperatursteuerungseinrichtungen auf der Zwischentemperatur isotherm zu halten. Damit kann das erfindungsgemäße Herstellverfahren in einfacheren und günstigeren Herstellungseinrichtungen ausgeführt werden. Beispielsweise sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens Presswerkzeuge als Abkühleinheit einsetzbar. Die Abkühlgeschwindigkeiten können beispielsweise über passive Temperatursteuerungseinrichtungen, wie z. B. Dämmelemente der Abkühleinheit, eingestellt werden.
Gemäß dem Herstellverfahren der vorliegenden Erfindung wird das Metallbauteil (insbesondere stetig und kontinuierlich) auf eine erste Temperatur mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, so dass zunächst aus dem austenitischen Gefüge Gefügeanteile aus Ferrit und Perlit entstehen. Nach einer ersten Abkühlzeit, während welcher der erste Bereich von der Austenitisierungstemperatur auf die erste Temperatur mit der ersten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt ist, befindet sich der erste Bereich des Metallbauteils beispielsweise an dem Übergang zwischen der ferritischen/perlitischen Gefügeumwandlungsstufe zur bainitischen Gefügeumwandlungsstufe.
Anschließend wird (insbesondere stetig und kontinuierlich) auf die zweite Temperatur mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, so dass insbesondere aus dem restlichen austenitischen Gefüge Gefügeanteile aus Bainit entstehen. Bainitisches Gefüge bildet sich bei Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten, die zwischen denen für die Ferrit- und Perlitbildung einerseits und für die Martensitbildung andererseits liegen. Nach einer zweiten Abkühlzeit, während welcher der erste Bereich von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur mit der zweiten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt ist, befindet sich der erste Bereich des Metallbauteils sozusagen in der bainitischen Gefügeumwandlungsstufe.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Abkühlgeschwindigkeit gleich der zweiten Abkühlgeschwindigkeit sein. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die zweite Abkühlgeschwindigkeit langsamer als die erste Abkühlgeschwindigkeit sein.
Nachdem die zweite Abkühlzeit verstrichen ist und ein gewünschtes Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit im ersten Bereich des Metallbauteils eingestellt ist, wird der erste Bereich des Metallbauteils, insbesondere aus dem bainitischen Gefügebildungsbereich, abgeschreckt.
Das Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit weist gute duktile Eigenschaften auf. Insbesondere ist das Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit duktiler und weniger spröde als ein martensitisches Mischgefüge oder ein Mischgefüge aus Bainit und Martensit. Aufgrund des Bainitanteils wird der erste Bereich des Metallbauteils fester als z. B. ein Mischgefüge ausschließlich aus Ferrit und Perlit. Diese Materialeigenschaften (insbesondere die hohe Duktilität) des Metallbauteils, welches entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, werden im Kraftfahrzeugbereich gewünscht, um insbesondere eine gewünschte Verformung der Metallbauteile bei Aufprallunfällen gezielt einzustellen.
Das Mischgefüge weist beispielsweise ungefähr 20 Gew.-% bis ungefähr 40 Gew.-% Ferrit, ungefähr 20 Gew.-% bis ungefähr 40 Gew.-% Perlit und ungefähr 20 Gew.-% bis ungefähr 40 Gew.-% Bainit auf. Andere Verteilungen (in Gew.-%) der Gefügeanteile in dem Mischgefüge sind ebenfalls möglich. Um beispielsweise einen duktileren Bereich herzustellen, werden die Anteile an Ferrit und/oder Perlit erhöht. Um beispielsweise einen weniger duktilen Bereich herzustellen, werden die Anteile an Bainit erhöht.
Die erste Temperatur, bis zu welcher sich Ferrit- und Perlitanteile bilden, kann beispielsweise ungefähr 550°C bis ungefähr 800°C, insbesondere ungefähr 600°C bis ungefähr 750°C, betragen.
Die erste Abkühlgeschwindigkeit, in welcher der erste Bereich des Metallbauteils von der Austenitisierungstemperatur auf die erste Temperatur abgekühlt wird, kann ungefähr 3 K/s bis ungefähr 15 K/s, insbesondere ungefähr 7 K/s bis ungefähr 12 K/s, betragen.
Die zweite Abkühlgeschwindigkeit, in welcher der erste Bereich des Metallbauteils von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur abgekühlt wird, kann ungefähr 2 K/s bis ungefähr 18 K/s, insbesondere ungefähr 3 K/s bis ungefähr 8 K/s, betragen.
Die zweite Temperatur (Bainitbildungstemperatur), bis zu welcher sich die Bainitanteile bilden, kann beispielsweise ungefähr 400°C bis 600°C, insbesondere ungefähr 500°C, betragen.
Das Abschrecken beschreibt ein Kühlen des Metallbauteils von der zweiten Temperatur auf unterhalb einer Martensitbildungstemperatur mit einer Abschreckgeschwindigkeit von ungefähr 40 K/s bis ungefähr 200 K/s, insbesondere ungefähr 80 K/s. Die Martensitbildungstemperatur beschreibt diejenige Temperatur, bei welcher nach Unterschreitung keine wesentlichen Gefügeumwandlung, insbesondere Martensitbildung, mehr stattfindet.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird die erste Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt, dass bis zu der ersten Temperatur eine Martensit-Bildung in dem ersten Bereich des Metallbauteils unterbunden wird. Insbesondere wird die erste Abkühlgeschwindigkeit derart langsam ausgewählt, dass beispielsweise ein Abschrecken des ersten Bereichs des Metallbauteils unterbunden wird. Die erste Abkühlgeschwindigkeit ist insbesondere langsamer als eine untere kritische Abkühlgeschwindigkeit des eingesetzten Materials für das Metallbauteil. Die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit kann derart definiert werden, dass bei einer schnelleren Abkühlgeschwindigkeit als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit erste Anteile von Martensit neben insbesondere Ferrit, Perlit und Bainit entstehen. Wird die erste Abkühlgeschwindigkeit langsamer als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit gewählt, entstehen keine Gefügeanteile von Martensit, sondern ausschließlich Ferrit, Perlit oder Bainit.
Entsprechend kann eine obere kritische Abkühlgeschwindigkeit definiert werden, wobei bei einer Abkühlung schneller als die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit ausschließlich Martensit-Gefüge in dem Metallbauteil entsteht. Wird die erste Abkühlgeschwindigkeit derart langsam ausgewählt, dass langsamer als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit der erste Bereich des Metallbauteils abgekühlt wird, kann sichergestellt werden, dass zunächst ausschließlich ein ferritisches und perlitisches Gefüge entsteht und anschließend aus dem restlichen austenitischen Gefüge ein bainitisches Gefüge gebildet wird. Eine Bildung von Martensit-Gefüge wird bei einer entsprechenden Auswahl der ersten Abkühlgeschwindigkeit langsamer als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit verhindert.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird die erste Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt, dass bis zu der ersten Temperatur Anteile von Martensit in dem ersten Bereich des Metallbauteils gebildet werden. Die erste Abkühlgeschwindigkeit ist somit, zumindest kurzzeitig, d. h. für einen bestimmten Zeitbereich, schneller als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit gewählt, jedoch langsamer als die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit ausgewählt. In dem Zeitpunkt, in dem der erste Bereich des Metallbauteils die zweite Temperatur erreicht, weist das Gefüge austenitische, ferritische, perlitische und martensitische Gefügeanteile auf.
Dabei ist gemäß dem vorliegenden Herstellverfahren anzumerken, dass in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Mischgefüge in dem ersten Bereich des Metallbauteils weniger als 5 Gew.-% Martensit enthält und zu 95 Gew.-% aus einem Mischgefüge aufweisend Ferrit, Perlit und Bainit besteht. Mit anderen Worten ist der Martensit-Anteil des Gefüges des ersten Bereichs des Metallbauteils kleiner als 5 Gew.-%, insbesondere kleiner als 1 Gew.-%. Die Anteile des Mischgefüges des ersten Bereichs von Ferrit, Perlit und Bainit übersteigen somit 95 Gew.-%, insbesondere 99 Gew.-%, des Mischgefüges des ersten Bereichs des Metallbauteils.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die dritte Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt, dass in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ausschließlich Anteile von Martensit entstehen, sodass nach dem Abschrecken in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ein Gefüge aus Martensit vorliegt. Ein ausschließliches Vorliegen eines Martensit-Gefüges bedeutet im Folgenden, dass das Gefüge des zweiten Bereichs des Metallbauteils mehr als 95 Gew.-%, insbesondere mehr als 99 Gew.-%, Martensit aufweist. Insbesondere kann die dritte Abkühlgeschwindigkeit dabei derart ausgewählt werden, dass diese schneller als die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit ist, sodass in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ausschließlich ein Gefüge aus Martensit eingestellt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die dritte Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt, dass in dem zweiten Bereich Anteile aus Bainit entstehen, sodass nach dem Abschrecken in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Martensit und Bainit vorliegt. Ein ausschließliches Vorliegen eines Mischgefüges aus Martensit und Bainit bedeutet im Folgenden, dass der zweite Bereich des Metallbauteils mehr als 95 Gew.-%, insbesondere mehr als 99 Gew.-%, ein Mischgefüge aus Bainit und Martensit aufweist.
Dabei kann die dritte Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt werden, dass in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge ausschließlich aus Martensit und Bainit entsteht. Die dritte Abkühlgeschwindigkeit kann ferner insbesondere schneller als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit ausgewählt werden, sodass in dem zweiten Bereich ein Mischgefüge aus Martensit und anderen Gefügeanteilen, wie beispielsweise Bainit, Ferrit und/oder Perlit entstehen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird das Abschrecken des zweiten Bereichs des Metallbauteils nach dem Abkühlen des ersten Bereichs des Metallbauteils durchgeführt.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird das Abschrecken des zweiten Bereichs des Metallbauteils nach dem weiteren Abkühlen des ersten Bereichs des Metallbauteils durchgeführt. Dadurch kann das Abschrecken des zweiten Bereichs und des ersten Bereichs zeitgleich durchgeführt werden. So ist beispielsweise für die Abschreckung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs eine gemeinsame Abkühleinheit einsetzbar. Beispielsweise kann das Abschrecken durch Eintauchen des Metallbauteils in ein Abschreckbad, welches beispielsweise mittels Öl gefüllt ist, durchgeführt werden. Andererseits kann der erste Bereich und der zweite Bereich in einer Abkühleinheit, wie z. B. in einem Presshärtewerkzeug, abgekühlt und abgeschreckt werden. Das Presshärtewerkzeug kann beispielsweise Kühlplatten oder andere Kühleinrichtungen aufweisen.
Vorteilhaft kann auch der zweite Bereich des Metallbauteils, wie oben beschrieben, nach dem Abkühlen des ersten Bereichs des Metallbauteils abgeschreckt werden. Der erste Bereich ist demnach auf die zweite Temperatur abgekühlt und der zweite Bereich ist beispielsweise noch auf Austenitisierungstemperatur gehalten. Wird der zweite Bereich des Metallbauteils nach dem Abkühlen des ersten Bereichs, jedoch vor dem weiteren Abkühlen des ersten Bereichs, abgeschreckt, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten Bereich und dem ersten Bereich vor dem Abschrecken des zweiten Bereichs und nach dem Abschrecken des zweiten Bereichs kleiner als bei einem Abschrecken des zweiten Bereichs nach dem weiteren Abkühlen des ersten Bereichs. Dadurch können Materialspannungen und daraus resultierende Haarrisse zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich reduziert werden.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der zweite Bereich bereits abgeschreckt, bevor der erste Bereich auf die erste Temperatur abgekühlt wird. Beispielsweise kann somit zunächst der zweite Bereich abgeschreckt werden und der erste Bereich weiterhin auf Austenitisierungstemperatur gehalten werden. Erst nachdem der zweite Bereich bzw. das Gefüge in dem zweiten Bereich vollständig mittels Abschreckens hergestellt ist, wird das Metallbauteil beispielsweise in eine Abkühleinheit, wie z. B. ein Presshärtewerkzeug, überführt, um darin den ersten Bereich und gegebenenfalls den zweiten Bereich umzuformen. In dem Presswerkzeug kann der erste Bereich während oder nach dem Umformen auf die erste Temperatur und/oder die zweite Temperatur abgekühlt werden und gegebenenfalls anschließend abgeschreckt werden.
Das oben beschriebene Herstellverfahren kann beispielsweise in einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallbauteils ausgeführt werden. Die Vorrichtung weist eine Erwärmungseinheit, welche eingerichtet ist, das Metallbauteil auf eine Austenitisierungstemperatur zu erwärmen, und eine Abkühleinheit zum gezielten Abkühlen des Metallbauteils von der Austenitisierungstemperatur auf. Ferner weist die Vorrichtung eine Steuereinheit auf, welche die Abkühleinheit derart steuert, dass die Abkühleinheit das erwärmte Metallbauteil mit folgender Abkühlprozedur behandelt:

– Abkühlen eines ersten Bereichs des Metallbauteils von der Austenitisierungstemperatur auf eine erste Temperatur mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Ferrit und Perlit entstehen, – weiteres Abkühlen des ersten Bereichs des Metallbauteils von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die zweite Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Bainit entstehen, und
– Abschrecken des ersten Bereichs des Metallbauteils von der zweiten Temperatur, so dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit vorliegt.

Die Steuereinheit kann beispielsweise einen programmierbaren Prozessor aufweisen. Ferner kann die Steuereinheit eine Datenbank aufweisen, in welcher die Abkühlprozedur gespeichert ist und von dem Prozessor abgerufen werden kann. Ferner können in der Datenbank als Prozedurparameter z. B. die erste Temperatur, die zweite Temperatur, die Austenitisierungstemperatur, die erste Abkühlgeschwindigkeit, die zweite Abkühlgeschwindigkeit und/oder die Abschreckzeitpunkte gespeichert sein. Ferner können in der Datenbank die oben genannten Prozedurparameter für bestimmte Materialzusammensetzungen des Metallbauteils abgespeichert sein. So kann der Benutzer beispielsweise eine Materialzusammensetzungen eines Metallbauteils eingeben und der Prozessor ruft daraufhin die entsprechenden Prozedurparameter (Temperaturen, Abkühlzeiten) für diese Materialzusammensetzungen auf, um z. B. in dem ersten Bereich des Metallbauteils das Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit zu erhalten. Ferner können in der Datenbank CNC-Daten und geometrische Daten für verschiedene Metallbauteile abgespeichert sein, welche selektiv von dem Prozessor aufgerufen werden können.
Die Abkühleinheit umgibt insbesondere den ersten Bereich des Metallbauteils oder das gesamte Metallbauteil. Die Abkühleinheit kann beispielsweise eine Oberschale und eine Unterschale aufweisen, wobei zwischen der Oberschale und der Unterschale das Metallbauteil einlegbar ist. Die Abkühleinheit ist beispielsweise eine Presshärtevorrichtung, mit welcher neben dem gezielten Abkühlen des Metallbauteils ebenfalls ein Umformen des Metallbauteils vor oder während des Abkühlens durchgeführt werden kann. Die Abkühleinheit kann beispielsweise (z. B. flüssigkeitsgekühlte) Kühlplatten aufweisen. Zudem oder alternativ kann die Abkühleinheit Heizeinrichtungen (Heizspulen etc.) aufweisen. Die Kühleinrichtungen und/oder die Heizeinrichtungen können von der Steuereinheit steuerbar sein, um die entsprechenden Temperaturen und Abkühlzeiten einzustellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
1 zeigt ein ZTU-Diagramm, in welchem beispielhafte Abkühlkurven eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs eines Metallbauteils gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren eingezeichnet sind.
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
Gleiche oder ähnliche Komponenten in 1 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in 1 ist schematisch.
In 1 wird ein logarithmisches Zeit-Temperatur-Umwandungsschaubild (ZTU-Diagramm) dargestellt, in welchem Abkühlverläufe 101, 102 eines ersten Bereichs und eines zweiten Bereichs eines Metallbauteils für eine Metallvorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren dargestellt werden. Auf der Ordinate wird die Umwandlungstemperatur in °C angegeben und auf der Abszisse wird die Abkühldauer in Sekunden logarithmisch angegeben. Ferner werden die entsprechenden Gefügebildungsbereiche M, B, F, P angegeben. Bei einer entsprechenden Temperatur und einer entsprechenden Abkühlgeschwindigkeit werden die entsprechenden Gefügebildungsbereiche M, B, F, P angesteuert, so dass sich dort entsprechend die Gefügeanteile in dem Metallbauteil bilden.
Die Gefügebildungsbereiche M, B, F, P zeigen einen ferritischen Gefügebildungsbereich F, einen perlitischen Gefügebildungsbereich P, einen bainitischen Gefügebildungsbereich B und einen martensitischen Gefügebildungsbereich M, sowie einen Bereich, in welchem ein kohlenstoffreiches Martensit-Gefüge gebildet wird. Gefügeumwandlungen in ein gewünschtes Gefüge, beispielsweise in Bainit oder Ferrit, sind im Allgemeinen bis Temperaturen oberhalb der Martensit-Bildungstemperatur ms (ca. 350°C bis 450°C) möglich.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Metallbauteil für eine Metallvorrichtung hergestellt. Zunächst wird das Metallbauteil auf eine Austenitisierungstemperatur Ta erwärmt. Anschließend wird der erste Bereich des Metallbauteils von der Austenitisierungstemperatur Ta auf eine erste Temperatur T1 mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt (I). Die erste Abkühlgeschwindigkeit wird derart ausgewählt, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Ferrit und Perlit entstehen.
Anschließend wird der erste Bereich des Metallbauteils von der ersten Temperatur T1 auf eine zweite Temperatur T2 mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit weiter abgekühlt (II). Die zweite Abkühlgeschwindigkeit ist derart ausgewählt, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Bainit entstehen.
Anschließend wird der erste Bereich des Metallbauteils von der zweiten Temperatur T2 abgeschreckt (III), sodass in dem ersten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit vorliegt.
Die Austenitisierungstemperatur kann beispielsweise oberhalb der Temperatur Ac3 gewählt werden bzw. oberhalb von ungefähr 800°C liegen. Das Metallbauteil wird ausreichend lange auf der Austenitisierungstemperatur Ta gehalten, bis das Gefüge im Metallbauteil überwiegend austenitisch vorliegt.
Anschließend wird der erste Bereich des Metallbauteils langsam abgekühlt (I), bis die erste Temperatur T1 bei ungefähr 550°C bis ungefähr 600°C erreicht ist. Wie dem ZTU-Diagramm in 1 zu entnehmen ist, durchläuft der erste Bereich während des Abkühlens (I) mit der ersten Abkühlgeschwindigkeit ferritische und perlitische Gefügebildungsbereiche F, P.
Wird die erste Abkühlgeschwindigkeit langsamer als die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit 103 gewählt, so werden bei der Abkühlung (I) bis zur ersten Temperatur T1 ausschließlich Anteile eines ferritischen und perlitischen Gefüges aus dem austenitischen Ausgangsgefüge gebildet.
Anschließend wird, wie in 1 dargestellt, der erste Bereich von der ersten Temperatur T1 auf die zweite Temperatur T2 weiter abgekühlt (II). Wie in
1 dargestellt, durchläuft der erste Bereich des Metallbauteils während des weiteren Abkühlens (II) die bainitische Gefügeumwandlungsstufe B, sodass aus den restlichen austenitischen Gefügeanteilen ein bainitisches Gefüge gebildet wird.
Nach Erreichen der zweiten Temperatur T2, welche ungefähr bei 500°C bis 520°C liegen kann, wird der erste Bereich des Metallbauteils abgeschreckt (III). Nach dem Abschrecken (III) liegt in dem ersten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit vor.
Die erste Abkühlgeschwindigkeit und die zweite Abkühlgeschwindigkeit sind während des Abkühlens (I) und des weiteren Abkühlens (II) stetig und z. B. konstant. Wie 1 zu entnehmen ist, ist kein isothermes Halten notwendig, um beispielsweise die Bainit-Anteile in dem Mischgefüge der ersten Bereichs zu bilden. Ein Abschrecken auf eine Zwischentemperatur und ein isothermes Halten, welches durch aktive Heiz- bzw. Kühleinrichtungen umgesetzt werden muss, ist damit bei dem Herstellverfahren gemäß der vorliegenden Anmeldung nicht notwendig.
Ferner ist in 1 die Abkühlkurve 102 des zweiten Bereichs des Metallbauteils dargestellt. Der erste Bereich des Metallbauteils wird gemäß dem vorliegenden Herstellverfahren duktiler als der zweite Bereich des Metallbauteils eingestellt. Insbesondere weist der zweite Bereich des Metallbauteils einen überwiegenden Anteil an martensitischem Gefüge auf. Hierzu wird, wie in 1 ersichtlich, der zweite Bereich von der Austenitisierungstemperatur Ta bis unter die Martensit-Bildungstemperatur ms abgeschreckt. Wie in 1 dargestellt, kann die dritte Abkühlgeschwindigkeit des zweiten Bereichs des Metallbauteils schneller als eine obere kritische Abkühlgeschwindigkeit 104 gewählt werden. Bei einem schnelleren Abschrecken von der Austenitisierungstemperatur Ta im Vergleich zu der oberen kritischen Abkühlgeschwindigkeit 104 wird ausschließlich martensitisches Gefüge in dem zweiten Bereich gebildet.
Alternativ hierzu kann die dritte Abkühlgeschwindigkeit langsamer als die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit gewählt werden, so dass der zweite Bereich des Metallbauteils für eine bestimmte Zeitdauer den bainitischen Gefügebildungsbereich B durchschreitet, bevor der zweite Bereich des Metallbauteils (z. B. unter die Martensit-Bildungstemperatur ms) abgeschreckt wird. Somit kann in dem zweiten Bereich ein Mischgefüge aus Martensit und Bainit eingestellt werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass ”umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und ”eine” oder ”ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

101: Abkühlkurve des ersten Bereichs des Metallbauteils
102: Abkühlkurve des zweiten Bereichs des Metallbauteils
103: untere kritische Abkühlgeschwindigkeit
104: obere kritische Abkühlgeschwindigkeit
I: Abkühlen von der Austenitisierungstemperatur auf eine erste Temperatur
II: weiteres Abkühlen von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur
III: Abschrecken von der zweiten Temperatur
Ta: Austenitisierungstemperatur
T1: erste Temperatur
T2: zweite Temperatur

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils für eine Metallvorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Erwärmen des Metallbauteils auf eine Austenitisierungstemperatur (Ta), Abkühlen (I) eines ersten Bereichs des Metallbauteils von der Austenitisierungstemperatur (Ta) auf eine erste Temperatur (T1) mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Ferrit und Perlit entstehen, weiteres Abkühlen (II) des ersten Bereichs des Metallbauteils von der ersten Temperatur (T1) auf eine zweite Temperatur (T2) mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die zweite Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Bainit entstehen, Abschrecken (III) des ersten Bereichs des Metallbauteils von der zweiten Temperatur (T2), so dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit vorliegt, und Abschrecken eines zweiten Bereichs des Metallbauteils mit einer dritten Abkühlgeschwindigkeit von der Austenitisierungstemperatur (Ta), wobei die dritte Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem zweiten Bereich des Metallbauteils Anteile von Martensit entstehen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Austenitisierungstemperatur (Ta) 750°C bis 1000°C, insbesondere 850°C bis 900°C, beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Temperatur (T1) 550°C bis 800°C, insbesondere 600°C bis 750°C, beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Temperatur (T2) 400°C bis 600°C, insbesondere 500°C bis 550°C, beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass bis zu der ersten Temperatur (T1) eine Martensitbildung in dem ersten Bereich des Metallbauteils unterbunden wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Mischgefüge in dem ersten Bereich des Metallbauteils weniger als 5 Gew.-% Martensit aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dritte Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ausschließlich Anteile von Martensit entstehen, so dass nach dem Abschrecken in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ein Gefüge aus Martensit vorliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dritte Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem zweiten Bereich Anteile aus Bainit entstehen, so dass nach dem Abschrecken in dem zweiten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Martensit und Bainit vorliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Bereich des Metallbauteils nach dem Erwärmen des Metallbauteils auf der Austenitisierungstemperatur (Ta) gehalten wird, und wobei das Abschrecken des zweiten Bereichs des Metallbauteils nach dem Abkühlen (I) des ersten Bereichs des Metallbauteils durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Bereich des Metallbauteils nach dem Erwärmen des Metallbauteils auf der Austenitisierungstemperatur (Ta) gehalten wird, und wobei das Abschrecken des zweiten Bereichs des Metallbauteils nach dem weiteren Abkühlen (II) des ersten Bereichs des Metallbauteils durchgeführt wird.
Metallbauteil für eine Metallvorrichtung, wobei das Metallbauteil aufweist: einen ersten Bereich, welcher mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist, und einen zweiten Bereich, welcher ein Gefüge mit Martensitanteilen aufweist, so dass der erste Bereich duktiler als der zweite Bereich ist.
Vorrichtung zum Herstellen eines Metallbauteils, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Erwärmungseinheit, welche eingerichtet ist, das Metallbauteil auf eine Austenitisierungstemperatur (Ta) zu erwärmen, eine Abkühleinheit zum gezielten Abkühlen des Metallbauteils von der Austenitisierungstemperatur (Ta), und eine Steuereinheit, welche die Abkühleinheit derart steuert, dass die Abkühleinheit das erwärmte Metallbauteil mit folgender Abkühlprozedur behandelt: Abkühlen (I) eines ersten Bereichs des Metallbauteils von der Austenitisierungstemperatur (Ta) auf eine erste Temperatur (T1) mit einer ersten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die erste Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Ferrit und Perlit entstehen, weiteres Abkühlen (II) des ersten Bereichs des Metallbauteils von der ersten Temperatur (T1) auf eine zweite Temperatur (T2) mit einer zweiten Abkühlgeschwindigkeit, wobei die zweite Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils Anteile von Bainit entstehen, Abschrecken (III) des ersten Bereichs des Metallbauteils von der zweiten Temperatur (T2), so dass in dem ersten Bereich des Metallbauteils ein Mischgefüge aus Ferrit, Perlit und Bainit vorliegt, und Abschrecken eines zweiten Bereichs des Metallbauteils mit einer dritten Abkühlgeschwindigkeit von der Austenitisierungstemperatur (Ta), wobei die dritte Abkühlgeschwindigkeit derart ausgewählt wird, dass in dem zweiten Bereich des Metallbauteils Anteile von Martensit entstehen.