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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines partiell pressgehärteten Blechformteils durch direktes Presshärten mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Schritten.
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Das Presshärten bzw. Formhärten zur Herstellung hochfester Blechformteile aus einem presshärtegeeignetem Stahlblechmaterial ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Beim Presshärten werden durch Herbeiführen eines überwiegend martensitischen Werkstoffgefüges Festigkeiten von bis zu 1600 MPa erzielt. Hierzu wird das Stahlblechmaterial bis auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend in einem gekühlten Presshärtewerkzeug umgeformt und gleichzeitig mit hoher Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt.
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Ferner sind Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung partiell bzw. lokal pressgehärteter Blechformteile bekannt. Ein partiell pressgehärtetes Blechformteil weist wenigstens einen pressgehärteten und somit hochfesten Bereich bzw. Abschnitt und wenigstens einen nichtpressgehärteten und somit minderfesten Bereich, mit bspw. einem ferritisch-perlitischem Werkstoffgefüge, auf. Durch die Verteilung unterschiedlicher Werkstofffestigkeiten und Dehnungseigenschaften (Duktilitäten) können Blechformteileigenschaften gezielt eingestellt werden.
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In der
DE 200 14 361 U1 ist die Herstellung eines partiell pressgehärteten Blechformteils beschrieben, wobei ausgehend von einer Formplatine diese in einem Ofen durch Erwärmen austenitisiert und anschließend in einem gekühlten Presshärtewerkzeug umgeformt und hierbei gehärtet wird. Im Ofen können Bereiche der Formplatine isoliert werden, so dass die Temperaturerhöhung in diesen Bereichen deutlich unterhalb der Austenitisierungstemperatur liegt. Folglich kann sich dort im Presshärtewerkzeug kein martensitisches Werkstoffgefüge mit den hohen Festigkeiten einstellen. Zum Stand der Technik wird auch auf die
DE 10 2009 015 013 A1 hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie bei einer Serienfertigung und insbesondere Großserienfertigung von partiell pressgehärteten Blechformteilen mit einem Verfahren gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Schritten zumindest ein Bereich der Formplatine beim Erwärmen im Ofen praktikabel isoliert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines partiell pressgehärteten Blechformteils umfasst zumindest folgende Schritte:
- – Bereitstellen einer ebenen Formplatine aus einem härtbaren bzw. presshärtbaren Stahlblechmaterial (bspw. der Sorte 22MnB5);
- – Erwärmen der Formplatine über Austenitisierungstemperatur in einem Ofen, wobei die Formplatine zumindest in einem Bereich vor Temperatureinwirkung geschützt wird und in diesem Bereich unterhalb der Austenitisierungstemperatur bleibt; und
- – Umformen der unterschiedlich erwärmten Formplatine in einem Presshärtewerkzeug. Das erfindungsgemäße Verfahren kann weitere, hierin nicht näher erläuterte Schritte und/oder Zwischenschritte umfassen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Formplatine während des Erwärmens im Ofen zumindest in einem vor Temperatureinwirkung zu schützenden Bereich bzw. Abschnitt beidseitig mit keramischen Abdeckungen abgedeckt wird, so dass in diesem abgedeckten Bereich die Austenitisierungstemperatur nicht erreicht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft nur das direkte Presshärten bei dem die ebene Formplatine nach dem Erreichen der gewünschten Temperatur im Ofen in das Presshärtewerkzeug überführt und darin zu einem Blechformteil umgeformt und gleichzeitig durch Abschreckkühlung pressgehärtet wird. Das indirekte Presshärten mit einem kaltem Vorformen der Formplatine ist nicht Gegenstand der Erfindung.
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Unter einer Formplatine wird insbesondere eine ebener Blechzuschnitt verstanden, der im Wesentlichen einer Abwicklung des herzustellenden Blechformteils entspricht. Bei dem Ofen handelt es sich insbesondere um einen Durchlaufofen (bspw. mit Rollenförderer) oder einen Stapelofen. Die Formplatine bzw. Ausgangsplatine wird im Ofen auf eine Austenitisierungstemperatur oberhalb von Ac3 erwärmt, und erreicht hierbei bevorzugt eine Temperatur von mindestens 785° C und insbesondere von mehr als 900° C. In dem wenigstens einen mit keramischen Abdeckungen abgedeckten Bereich bleibt die Temperatur unterhalb dieser Austenitisierungstemperatur und bevorzugt sogar unterhalb von Ac1, was einer Temperatur von ca. 720° C entspricht. In dem abgedeckten Bereich kann sich kein oder nur wenig Austenit bilden, wodurch sich beim anschließenden Umformen im Presshärtewerkzeug kein oder nur ein geringes martensitisches Werkstoffgefüge einstellt. Bei dem Presshärtewerkzeug handelt es sich insbesondere um ein aktiv gekühltes, pressengebundenes Presshärtewerkzeug, das bspw. ein Werkzeugunterteil und ein hierzu relativbewegliches Werkzeugoberteil aufweist.
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Erfindungsgemäß erfolgt der bereichsweise Schutz vor Temperatureinwirkung während der Erwärmung der Formplatine im Ofen durch keramische Abdeckungen die in dem betreffenden Bereich beidseitig der Formplatine angeordnet werden, so dass sich die Formplatine in dem betreffenden Bereich bzw. Abschnitt zwischen gegenüberliegenden Abdeckungen befindet. Insbesondere werden hierzu die keramischen Abdeckungen sich gegenüberliegend und zueinander ausgerichtet angeordnet. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abdeckungen einen flächigen Berührungskontakt mit den Oberflächen der Formplatine aufweisen. Die Abdeckungen können jedoch auch mit einem Spalt zu den Oberflächen der Formplatine angeordnet werden. Ein solcher Spalt weist bevorzugt ein Spaltmaß von 0,5 mm bis 1,5 mm und insbesondere von 0,75 mm bis 1,0 mm auf.
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Unter einer keramischen Abdeckung wird insbesondere ein im Wesentlichen aus einem massiven keramischen Material gebildetes und bevorzugt einstückig ausgebildetes Keramikelement, insbesondere aus einem technischen Keramikwerkstoff oder einem keramikähnlichen Werkstoff, verstanden. Als bevorzugter Werkstoff kommt bspw. eine Siliciumdioxid-Keramik bzw. siliciumdioxidbasierte Keramik in Betracht. Bevorzugt handelt es sich um eine plattenartige Abdeckung. Eine keramische Abdeckung ist nahezu unbegrenzt wiederverwendbar und formbeständig. Ferner besteht eine Unanfälligkeit gegen Verzunderung und Verschleiß und eine Unempfindlichkeit gegen Temperaturwechsel.
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Der im Ofen mit einer solchen Abdeckung erzielte Schutz vor Temperatureinwirkung kann auf zwei Effekten basieren, die gleichzeitig in Erscheinung treten können. Zum einen kann durch eine keramische Abdeckung eine Isolierung durch Abschirmung erzielt werden, wofür insbesondere eine dünnere keramische Abdeckung ausreichend sein kann. Zum anderen kann durch eine keramische Abdeckung eine Kühlung in dem betreffenden Bereich erzielt werden, derart, dass über die Kontaktflächen Wärmeenergie von der Formplatine in die Abdeckung abgeleitet wird (Entzug der im Ofen zugeführten Wärmeenergie), wofür insbesondere eine dickere keramische Abdeckung geeignet sein kann. Dies wird durch die Masse, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität der keramischen Abdeckung beeinflusst.
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Die Erfindung ermöglicht eine stabile Prozessführung mit hoher Wiederhohlgenauigkeit sowie minimaler Störanfälligkeit, ohne nachteiligen Einfluss auf die insgesamt benötigte Zykluszeit. Gegebenenfalls kann die Zykluszeit sogar verkürzt werden, da beim Ofendurchlauf weniger Energie in die nachfolgend presszuhärtenden Formplatinen eingebracht werden muss, wodurch auch ein Vorteil in der Gesamtenergiebilanz entstehen kann. Ferner können die keramischen Abdeckungen verhältnismäßig kostengünstig bereitgestellt werden. Insgesamt ist nur ein geringer Invest erforderlich, um bestehende Anlagen auf die erfindungsgemäße Verfahrensweise umzurüsten. Besonders vorteilhaft ist, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren partiell pressgehärtete Blechformteile herstellen lassen, die mehrere klar definierte Zonen bzw. Bereiche mit unterschiedlicher Festigkeit bzw. Härte und Duktilität aufweisen (Vorteil der präzisen Zoneneinteilung).
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Die beidseitig der Formplatine angeordneten keramischen Abdeckungen können aus dem selben keramischen Material gebildet sein und die gleiche Dicke bzw. Wanddicke (senkrecht zur Blechformteiloberfläche bemessen) aufweisen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die beidseitig der Formplatine angeordneten keramischen Abdeckungen eine unterschiedliche Dicke bzw. Wanddicke aufweisen und/oder aus unterschiedlichen keramischen Materialien gebildet sind. Bspw. kann vorgesehen sein, dass eine der Abdeckungen der Abschirmung dient und somit verhältnismäßig dünn bzw. dünnwandig ausgebildet ist, wohingegen die andere Abdeckung der Kühlung durch Wärmeableitung dient und somit verhältnismäßig dickwandig ausgebildet ist.
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Die keramischen Abdeckungen können jeweils mit einer konstanten Dicke bzw. Wanddicke ausgebildet sein. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine keramische Abdeckung mit einer nicht konstanten Dicke bzw. Wanddicke ausgebildet ist.
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Die beidseitig der Formplatine angeordneten keramischen Abdeckungen können flächengleich ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die beidseitig der Formplatine angeordneten keramischen Abdeckungen flächenverschieden ausgebildet sind. Dies führt insbesondere dazu, dass der abgedeckte Bereich der Formplatine in wenigstens einer Randzone nur einseitig abgedeckt ist. Beim Erwärmen wird in dieser Randzone eine Übergangstemperatur erreicht, die unterhalb des angrenzenden nicht abgedeckten Bereichs und oberhalb des angrenzenden beidseitig abgedeckten Bereichs liegt, wodurch sich beim anschließenden Presshärten eine Härteübergangszone ausbilden kann.
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Eine Härteübergangzone kann auch dadurch hergestellt werden, dass wenigstens eine der keramischen Abdeckungen an wenigstens einer Außenkante der der Formplatine zugewandten Kontaktfläche mit einer Fase oder dergleichen ausgebildet ist. Eine solche Fase führt in der betreffenden Randzone zu einem Luftspalt, in dem sich eine Übergangstemperatur ausbilden kann, die unterhalb des angrenzenden nicht abgedeckten Bereichs und oberhalb des angrenzenden beidseitig abgedeckten Bereichs liegt.
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Die Formplatine kann während der Erwärmung im Ofen in einem Platinenträgergestell, an dem auch die keramischen Abdeckungen befestigt sind, aufgenommen werden. Das Platinenträgergestell kann bspw. mit einem Klapp- oder Klemmmechanismus ausgebildet sein, durch den sich die gegenüberliegenden Abdeckungen relativ zueinander bewegen lassen, um die Formplatine dazwischen anordnen zu können. Die Formplatine wird bevorzugt in einer liegenden Ausrichtung im Platinenträgergestell aufgenommen, wobei wenigstens eine untere keramische Abdeckung zugleich auch als Auflage für die Formplatine dienen kann. Das Platinenträgergestell kann umrüstbar und somit flexibel für verschiedene Platinenzuschnitte einsetzbar sein.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der keramischen Abdeckungen wenigstens ein Loch (oder eine Ausnehmung, Aussparung oder dergleichen) aufweist, welches innerhalb des von dieser Abdeckung abgedeckten Bereichs eine lokal begrenzte Erwärmung der Formplatine bzw. des Stahlblechmaterials auf Austenitisierungstemperatur ermöglicht. Der Lochrand kann eine Fase aufweisen.
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In vorteilhafter Weise ist ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes partiell pressgehärtetes Blechformteil im Wesentlichen frei von Spannungen (Bauteilverspannungen). Bei dem herzustellenden partiell pressgehärteten Blechformteil handelt es sich bevorzugt um ein Kraftfahrzeugbauteil und insbesondere um ein Karosseriebauteil, wie bspw. ein Innenverstärkungsteil für die A- oder B-Säule.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
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1 zeigt in einer Draufsicht eine in einem Platinenträgergestell aufgenommene und bereichsweise abgedeckte Formplatine während der Erwärmung in einem Ofen.
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2 zeigt in mehreren Schnittdarstellungen verschiedene erfindungsgemäße Möglichkeiten zur Abdeckung eines Bereichs an der Formplatine aus 1 mittels keramischer Abdeckungen.
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1 zeigt eine ebene Formplatine 100 aus einem härtbaren Stahlblechmaterial während der Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur in einem Durchlaufofen (der Durchlaufofen ist nicht dargestellt). Die Blechdicke der Formplatine 100 kann in einem Bereich von 1,0 mm bis 2,5 mm liegen, wobei auch dünnere oder dickere Stahlblechmaterialien verwendet werden können. Die Durchlaufrichtung ist mit DR angegeben. Die Durchlaufzeit durch den Ofen beträgt bspw. 5 min bis 7 min, wobei auch kürzere oder längere Durchlaufzeiten möglich sind. Die ebene Formplatine 100 ist liegend in einem Platinenträgergestell 300 aufgenommen und in dem mit A gekennzeichneten Bereich beidseitig mit einer oberen keramischen Abdeckung 210 und einer unteren keramischen Abdeckung 220 abgedeckt, wodurch der abgedeckte Bereich A beim Erwärmen keine Austenitisierungstemperatur erreicht. In analoger Weise können mehrere Bereiche an der Formplatine 100 abgedeckt sein. Das Platinenträgergestell 300 kann bspw. korbartig ausgebildet sein.
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2a zeigt eine erste Ausführungsmöglichten bei der die keramischen Abdeckungen 210 und 220 sowohl flächengleich als auch mit gleicher Dicke bzw. Wandstärke ausgebildet sind. Die sich gegenüberliegenden und zueinander ausgerichteten keramischen Abdeckungen 210 und 220 befinden sich im flächigen Berührungskontakt mit den Oberflächen der Formplatine 100. Die keramischen Abdeckungen 210 und 220 sind plattenartig ausgebildet und können bspw. eine Dicke von 10 mm bis 30 mm (quer bzw. senkrecht zur Platinenebene) aufweisen. Die untere keramische Abdeckung 220 ist am Platinenträgergestell 300 befestigt (was im Detail nicht dargestellt ist) und dient zugleich als Auflage für die Formplatine 100. Die obere keramische Abdeckung 210 kann lose aufgelegt oder ebenfalls am Platinenträgergestell 300, bspw. an einem Schwenkarm oder dergleichen, befestigt sein.
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2b zeigt eine zweite Ausführungsmöglichkeit, bei der die untere keramische Abdeckung 220 eine größere Dicke als die obere keramische Abdeckung 210 aufweist. Umgekehrt kann auch die obere keramische Abdeckung 210 dicker als die untere keramische Abdeckung 220 ausgebildet sein. Die dünnere obere keramische Abdeckung 210 weist bspw. eine Dicke von 10 mm bis 30 mm auf, wohingegen die dickere untere keramische Abdeckung 220 bspw. eine Dicke von 20 mm bis 50 mm aufweisen kann. Während die dünnere obere keramische Abdeckung 210 die Formplatine 100 im Bereich A vorrangig durch Isolierung bzw. Abschirmung vor direkter Temperatureinwirkung schützt, bewirkt die dickere untere Abdeckung 220 vorrangig eine Kühlung in dem betreffenden Bereich A, derart, dass über die einander zugewandten und sich berührenden Kontaktflächen Wärmeenergie von der Formplatine 100 in die Abdeckung 220 abgeleitet wird. Idealerweise weisen die Abdeckungen 210 und 210 beim Eintritt in den Ofen Raumtemperatur auf, wobei auch die Möglichkeit besteht, zumindest eine der keramischen Abdeckungen 210 und/oder 220 zuvor auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur abzukühlen.
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2c zeigt eine dritte Ausführungsmöglichkeit, bei der die untere keramische Abdeckung 220 flächengrößer als die obere keramische Abdeckung 210 ausgebildet ist. Umgekehrt kann auch die obere keramische Abdeckung 210 flächengrößer als die untere keramische Abdeckung 220 ausgebildet sein. Beide keramischen Abdeckungen 210 und 220 sind beispielhaft mit gleicher Dicke ausgebildet. Beim Erwärmen wird in der Randzone R des Bereichs A eine Übergangstemperatur erreicht (genau genommen handelt es sich um einen Übergangstemperaturverlauf), die unterhalb des angrenzenden nicht abgedeckten Bereichs und oberhalb des angrenzenden beidseitig abgedeckten Bereichs A liegt, wodurch sich beim anschließenden Presshärten eine Härteübergangszone im Stahlblechmaterial ausbilden kann.
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2d zeigt eine vierte Ausführungsmöglichkeit, bei der an der Außenkante der der Formplatine 100 zugewandten Kontaktfläche bzw. Berührungsfläche der oberen keramischen Abdeckung 210 an eine Fase 215 ausgebildet ist. Ebenso kann eine solche Fase auch an der unteren keramischen Abdeckung 220 vorgesehen sein. Beide keramischen Abdeckungen 210 und 220 sind beispielhaft mit gleicher Dicke ausgebildet. Die Fase 215 führt in der Randzone des Bereichs A zu einem Luftspalt, in dem sich eine Übergangstemperatur ausbilden kann, die unterhalb des angrenzenden nicht abgedeckten Bereichs und oberhalb des angrenzenden beidseitig abgedeckten Bereichs A liegt, wodurch sich beim anschließenden Presshärten eine Härteübergangszone im Stahlblechmaterial ausbilden kann.
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2e zeigt eine fünfte Ausführungsmöglichkeit, bei der die obere keramische Abdeckung 210 mit einer nicht konstanten Dicke ausgebildet ist. Ebenso kann auch die untere keramische Abdeckung 220 mit einer nicht konstanten Dicke ausgebildet sein. In dem gezeigten Beispiel ist die obere keramische Abdeckung 210 in ihrem Randbereich dünner ausgebildet, wodurch sich in der Randzone des abgedeckten Bereichs A beim Erwärmen eine Übergangstemperatur einstellen und beim anschließenden Presshärten eine Härteübergangszone im Stahlblechmaterial ausbilden kann.
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2f zeigt eine sechste Ausführungsmöglichkeit, bei der die keramischen Abdeckungen 210 und 220 mit sich gegenüberliegenden und symmetrisch ausgebildeten Löchern bzw. Durchbrüchen 217 und 227 ausgebildet sind, die dazu führen, das die Formplatine 100 an diesen Stellen und somit innerhalb des eigentlich abgedeckten Bereichs A auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Die Löcher 217 und 227 können beliebige Konturen aufweisen.
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Die Merkmale der in den 2a, 2b, 2c, 2d, 2e und 2f gezeigten Ausführungsmöglichkeiten können im Rahmen der Erfindung zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeiten kombiniert werden. Insbesondere können die im Zusammenhang mit den 2c, 2d und 2e erläuterten Merkmale auf die Löcher der in 2e gezeigten Ausführungsmöglichkeit angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Formplatine
- 210
- obere keramische Abdeckung
- 215
- Fase
- 217
- Loch, Ausnehmung
- 220
- untere keramische Abdeckung
- 227
- Loch, Ausnehmung
- 300
- Platinenträgergestell
- A
- abgedeckter Bereich
- DR
- Durchlaufrichtung
- R
- Randzone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20014361 U1 [0004]
- DE 102009015013 A1 [0004]
