DE102014109773A1

DE102014109773A1 - Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils

Info

Publication number: DE102014109773A1
Application number: DE102014109773.4A
Authority: DE
Inventors: Volker Smukala; Ralf Sünkel
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-01-14
Also published as: US20170226603A1; US10364476B2; EP3166737B1; CN106488813A; EP3166737A1; CN106488813B; ES2668807T3; WO2016005210A1; MX2016017369A

Abstract

In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils, welches einen Durchzug mit einem an der Peripherie des Durchzugs ausgebildeten Kragen umfasst, vorgeschlagen, wobei vor oder während der Presshärtung des Bauteils ein temperierter Stempel in den Durchzug eingefahren wird, wobei der temperierte Stempel derart temperiert wird, dass die Temperatur im Bereich des Kragens oberhalb der Martensit-Starttemperatur des eingesetzten Stahlwerkstoffes gehalten wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils mit einem Kragen.
Warmumgeformte bzw. pressgehärtete Bauteile werden aufgrund ihrer hohen Festigkeitskennwerte als sicherheitsrelevante Bauteile unter anderem im Fahrzeugbau eingesetzt. Durchzüge bzw. Krägen von Bauteilen, in die weitere Bauteilelemente, insbesondere Fahrwerksteile aufgenommen werden, können Dauerschwingungsbeanspruchungen ausgesetzt sein. Bei Durchzügen mit hohem Härtegrad ist die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass es durch derartige permanente Dauerbeanspruchungen zu einem vorzeitigen Materialverschleiß der Bauteile im Bereich der Durchzüge bzw. Krägen kommt, da die Duktilität bei hohen Materialhärtegraden sehr niedrig ist und Spannungsspitzen nicht durch elastische Verformungen absorbiert werden können. Bei Bauteilen, welche im Bereich der Durchzüge bzw. Krägen einen ebenso hohen Materialhärtegrad aufweisen wie in anderen Bereichen des Bauteils, besteht somit eine erhöhte Bruchgefahr. Da im Stand der Technik beispielsweise derartige Durchzüge mit einem Kragen als Verbundschnittstellen zwischen verschiedenen Fahrzeugteilen dienen, ist die Fahrzeugsicherheit durch das bestehende Risiko, dass sich Fahrzeugteile voneinander lösen können bzw. plötzlich versagen, sehr hoch.
Aus dem Stand der Technik sind Presshärte-Methoden zur Erzeugung von gehärteten Blechprofilen mit einem Durchzug mit vorstehendem Kragen durch Einfahren eines gekühlten Stempels in einem Bereich des Bauteils bekannt, wobei eine homogen hohe Materialhärte im ganzen Bauteil angestrebt wird ( DE 101 49 220 C1 ).
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils mit einem Durchzug mit vorstehendem Kragen zur Verfügung zu stellen, wodurch der Durchzug mit vorstehendem Kragen eine höhere Resistenz gegen eine Dauerbelastung durch Schwingungen und/oder Spannungsspitzen erhält.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils, welches einen Durchzug mit einem an der Peripherie des Durchzugs ausgebildeten Kragen umfasst, dadurch charakterisiert, dass vor oder während der Presshärtung des Bauteils ein temperierter Stempel in den Durchzug eingefahren wird, wobei der temperierte Stempel derart temperiert wird, dass die Temperatur im Bereich des Kragens oberhalb der Martensit-Starttemperatur des eingesetzten Stahlwerkstoffes gehalten wird.
Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils dabei den Vorteil, dass zunächst eine Umwandlung des Gefüges in Martensit im Bereich des Durchzugs bzw. des Kragens während des Presshärtens verhindert wird. Während mit zunehmender Flächenpressung durch das Presswerkzeug die Härte im übrigen Werkstoff aufgrund einer einsetzenden Phasenumwandlung in Marten steigt, wird im Bereich des Durchzugs bzw. des Kragens eine Martensitbildung verhindert. Im Bereich des Durchzugs bzw. des Kragens kommt es stattdessen zur Bildung eines weichen Mischgefüges. Durch das Tempern des in den Durchzug einfahrenden Stempels wird ein schroffes Abkühlen weitgehend verhindert, sodass sich eine bei geringerer Materialfestigkeit höhere Duktilität gegenüber dem übrigen Bereich einstellt. Im Bereich des Durchzugs bzw. des Kragens bekommt das Material ein höheres Bruchdehnungspotential. An dem Durchzug bzw. Kragen aufgenommene Schwingungsenergie oder Spannungsenergie kann teilweise in eine elastische Verformungsenergie umgewandelt werden, sodass die Bruchgefahr an den Verbundschnittstellen mehrerer Komponenten abnimmt. Das bei Dauerschwingungsbelastungen unter Druck und Kontakt gezeigte Verhalten der Bauteile im Bereich der Durchzüge bzw. Kragen verbessert sich. Gleichzeitig wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Kantenrisses beim Kragenziehen reduziert. Zudem verbessern sich die Schweißeigenschaften der möglicherweise als Verbundschnittstellen dienenden Krägen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der während der Presshärtung des Bauteils eingefahrene temperierte Stempel während des vollständigen Prozesses der Presshärtung in dem Durchzug verbleibt.
Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass während des ganzen Herstellungsprozesses die Temperatur des Stempels so reguliert wird, dass eine Starttemperatur für die Umwandlung in Martensit im Bereich des Durchzugs bzw. des Kragens nicht unterschritten wird, auch wenn im übrigen Bereich die Temperatur weiter abnimmt. Auch wird durch ein Konstanthalten der Temperatur oberhalb einer bestimmten Temperatur der Prozess der Kragenbildung dahingehend positiv beeinflusst, dass die Kragenrissempfindlichkeit abnimmt. In vorteilhafter Weise ist eine Kragenziehung durch Durchstellen des Stempels durch das zu pressende Bauteil möglich, ohne dass der Kragen beim Materialziehungsprozess reißt. Das presszuhärtende Bauteil lässt sich sowohl im einstufigen Prozess als auch im zweistufigen bzw. mehrstufigen Prozess, dem mindestens eine Formung insbesondere des Durchzuges im kalten Zustand vorausgeht, herstellen. Je nach Stahlzusammensetzung kann die Temperatur des Stempels beispielsweise mindestens 400°C, insbesondere mindestens 450°C betragen und überschreitet nicht die Ac1-Temperatur bzw. ist vorzugsweise nicht höher als 700°C.
In einer weiteren Ausführungsform wird der übrige Teil des Bauteils während der Presshärtung aktiv abgekühlt.
Die höheren Abkühlraten mit insbesondere zunehmender Flächenpressung im übrigen Teil des zu härtenden Bauteils bewirken in vorteilhafter Weise, dass die Materialhärte im Werkstoff aufgrund der Umwandlung in Martensit im Materialgefüge ansteigt. In dem Teil, in dem das zu härtende Bauteil nicht den Dauerbelastungen von Schwingungen angrenzender Komponenten ausgesetzt ist, kann das Bauteil maximal gehärtet werden. Vorzugsweise wird ein den Durchzug umlaufender Bereich ebenfalls nicht vollständig gehärtet, wodurch ein stetiger und beispielsweise nicht sprunghafter Übergang zwischen dem vollständig gehärteten Bereich und dem Bereich geringerer Festigkeit eingestellt werden kann. Der umlaufende Bereich beträgt insbesondere maximal das 2-fache, vorzugsweise maximal das 1,5-fache des Durchmessers des Durchzuges.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Oberwerkzeug des Presshärtewerkzeugs dazu ausgebildet ist, den temperierten Stempel ausfahrbar und formschlüssig in einer ersten Aussparung aufzunehmen.
Durch die formschlüssige Einbettung des aus der ersten Aussparung ausfahrbaren Stempels in Richtung des zu härtenden Werkstoffs ist eine hohe Stabilität in der Bewegungsführung des Stempels gewährleistet, so dass die Kragenziehung unter stabilen und kalibrierbaren Bedingungen stattfinden kann. Bei ausgefahrener Position des temperierten Stempels wird zudem erreicht, dass eine Umwandlung in Marten nur im Bereich des Durchzugs bzw. des Kragens, nicht aber im übrigen Teil des Bauteils, verhindert wird. Die lokale Reduzierung der Materialhärte kann somit sehr gezielt erfolgen. Alternativ zum ausfahrbaren Stempel können Stempel und Oberwerkzeug als eine Einheit ausgebildet sein, wodurch der Aufbau einfacher gestaltet werden kann und zumindest die Antriebsvorrichtungen für den Stempel eingespart werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Unterwerkzeug des Presshärtewerkzeugs dazu ausgebildet, den temperierten Stempel in einer ausgefahrenen Position und den Kragen in einer zweiten Aussparung formschlüssig aufzunehmen, wobei die zweite Aussparung der ersten Aussparung gegenüber liegt und einen größeren Radius oder Durchmesser aufweist als die erste Aussparung.
Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Zielgerichtetheit der Bewegungsführung des temperierten Stempels wesentlich gesteigert und die Kragenziehung in Richtung Unterwerkzeug überhaupt erst ermöglicht, denn dem aus der Planarebene des zu härtenden Werkstoffs abgelenkten Material wird beim Pressen ein Raum zum Ausweichen zur Verfügung gestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Geometrie des temperierten Stempels die Geometrie des Durchzugs und durch eine Hubweite des Ausfahrens des temperierten Stempels eine Höhe des Kragens bestimmt wird.
Durch Wahl der Abmessungen des temperierten Stempels und Durchstellung des temperierten Stempels durch den Durchzug mit einer bestimmten Hubweite lässt sich in vorteilhafter Weise die Ausprägungsform eines Kragens eines zu härtenden Bauteils bestimmen. Eine Anpassung an vorgegebene räumliche oder statisch-dynamische Bedingungen ist problemlos möglich.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiter eine Vorrichtung zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils, welches einen Durchzug mit einem an der Peripherie des Durchzugs ausgebildeten Kragen umfasst, wobei zur Herstellung des pressgehärteten Bauteils ein Presshärtewerkzeug verwendet wird, dadurch charakterisiert, dass die Vorrichtung ferner einen temperierten Stempel aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, vor oder während der Presshärtung des Bauteils in den Durchzug eingefahren zu werden und dabei derart temperiert zu werden, dass die Temperatur im Bereich des Kragens oberhalb der Martensit-Starttemperatur des eingesetzten Stahlwerkstoffes gehalten wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Die Zeichnung illustriert dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figur
1 zeigt ein Schema einer Vorrichtung zum Presshärten eines Bauteils
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine Vorrichtung 100 zum Warmumformen, insbesondere zum Presshärten, eines Bauteils 106 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einem Oberwerkzeug 102 und einem Unterwerkzeug 104, zwischen welche das zu formende Bauteil 106 beim Prozess des Warmumformens, insbesondere beim Presshärten, angeordnet wird. Das zu formende Bauteil 106 kann als ebener, vorgelochter Blechzuschnitt im warmen Zustand (einstufige Warmumformung) oder als bereits kalt, vorgeformtes Halbzeug (zweistufige Warmumformung) im warmen Zustand in die Vorrichtung 100 eingelegt werden.
In das Oberwerkzeug 102 eingebettet ist ein Stempel 108 in einer ersten Aussparung 116. Der Stempel 106 weist Mittel 110 zur Temperierung des Stempels 106 auf. Das Unterwerkzeug 104 weist eine zweite Aussparung 118 zur Aufnahme des Stempels 108 sowie eines gezogenen Kragens 112 des Bauteils 106 auf. Dafür erforderlich ist, dass die zweite Aussparung 118 einen größeren Radius bzw. Durchmesser aufweist als die erste Aussparung 116.
Weitere Vorrausetzungen für das Kragenziehen ist eine erste Aussparung 116 im Bauteil 106, durch welche der temperierte Stempel 108 vor oder während des Warmumformungsprozesses getrieben wird. Der Durchzug 114 kann vor der Warmumformung in die noch kalte Formplatine des Bauteils 106 oder mittels Warmschnitt unmittelbar vor dem Kragenziehen im Warmumformwerkzeug 100 eingebracht werden.
Die Geometrie des Durchzugs 114 und des Kragens 112 des Bauteils 106 werden in einem Umformschritt in das warme presszuhärtende Bauteil 106 mittels des ausfahrenden temperierten Stempels 108 gezogen und/oder kalibriert. Alternativ sind das Oberwerkzeug und der Stempel als eine Einheit ausgebildet. In dem Teil des Bauteils 106, in dem die maximale Materialhärte durch Umwandlung in Martensit erreicht werden soll, wird das Presswerkzeug 100 klassisch gekühlt, etwa durch aktive Kühlung oder durch Werkzeugmasse.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von bruchresistenten Krägen eines pressgehärteten Bauteils zeichnet sich dadurch aus, dass der vor oder während des Warmumformungsprozesses in das Bauteil eingefahrene Stempel 108 während des ganzen Umformungsprozesses so temperiert wird, dass eine Martenbildung im Bereich des Kragens unterbleibt, so dass sich hier lokal ein weiches Mischgefüge mit erhöhter Bruchdehnung und Duktilität ausbildet, während der übrige Bereich des Bauteils 106 durch hohe Abkühlungsraten maximal gehärtet wird. Der kragenziehende Stempel 108 verbleibt während des gesamten Härtungsprozesses in dem Durchzug 114 und wird aktiv temperiert durch die Mittel 110 zur Temperierung. Durch ständige angepasste Temperierung des Stempels 108 bleibt die Temperatur im Bauteil 106 im lokalen Bereich des Kragens 112 immer oberhalb der Martensit-Starttemperatur, sodass lokal ein Bereich hoher Duktilität und Bruchdehnung sowie ein Kragenziehen ohne Kantenreißer ermöglicht wird. Vorzugsweise wird ein den Durchzug 114 umlaufender Bereich 124 nicht vollständig gehärtet, um einen stetigen Übergang zwischen dem vollständig gehärteten Bereich und dem Bereich geringerer Festigkeit zu schaffen. Der umlaufende Bereich 124 beträgt insbesondere maximal das 2-fache, vorzugsweise maximal das 1,5-fache des Durchmessers D des Durchzuges. Dieser Bereich 124 lässt sich durch die im Ober- und Unterwerkzeug 102, 104 integrierten Mittel 120, 122 einstellen. Die Mittel 120, 122 können temperiert sein oder aus einem schlecht, wärmeleitenden Material, beispielsweise aus einer Keramik ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst mindestens das Mittel 120 eine Isolierung zur thermischen Trennung zwischen dem temperierten Stempel 108 und dem vorzugsweise aktiv gekühlten Oberwerkzeug 102.
Materialverschleißerscheinungen, verursacht durch Dauerschwingbelastungen durch weitere angekoppelte Bauteile, oder Spannungsspitzen, hervorgerufen beim Zusammenbau von verschiedenen Bauteilen, kann durch die lokal differenzierte Materialhärte effektiv entgegengewirkt werden. Die Lebensdauer von verbundenen Bauteilen kann signifikant verlängert werden und die Sicherheit z.B. eines Mehr-Komponenten-Fahrzeuggestells erheblich gesteigert werden.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zum Warmumformen, insbesondere zum Presshärten
102: Oberwerkzeug
104: Unterwerkzeug
106: Bauteil
108: Stempel
110: Mittel zur Temperierung
112: Kragen
114: Durchzug
116: erste Aussparung
118: zweite Aussparung
120: Mittel
122: Mittel
124: umlaufender Bereich
D: Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10149220 C1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils (106), welches einen Durchzug (114) mit einem an der Peripherie des Durchzugs (114) ausgebildeten Kragen (112) umfasst, dadurch charakterisiert, dass vor oder während der Presshärtung des Bauteils (106) ein temperierter Stempel (108) in den Durchzug (114) eingefahren wird, wobei der temperierte Stempel (108) derart temperiert wird, dass die Temperatur im Bereich des Kragens (112) oberhalb der Martensit-Starttemperatur des eingesetzten Stahlwerkstoffes gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der während der Presshärtung des Bauteils (106) eingefahrene temperierte Stempel (108) während des vollständigen Prozesses der Presshärtung in dem Durchzug (114) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der übrige Teil des Bauteils (106) während der Presshärtung aktiv abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei ein Oberwerkzeug (102) des Presshärtewerkzeugs dazu ausgebildet ist, den temperierten Stempel (108) ausfahrbarbar und formschlüssig in einer ersten Aussparung aufzunehmen.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei ein Unterwerkzeug (104) des Presshärtewerkzeugs dazu ausgebildet ist, den temperierten Stempel (108) in einer ausgefahrenen Position und den Kragen (112) in einer zweiten Aussparung formschlüssig aufzunehmen, wobei die zweite Aussparung (118) der ersten Aussparung gegenüber liegt und einen größeren Radius oder Durchmesser aufweist als die erste Aussparung (116).
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei durch die Geometrie des temperierten Stempels (108) die Geometrie des Durchzugs (114) und durch eine Hubweite des Ausfahrens des temperierten Stempels (108) eine Höhe des Kragens (112) bestimmt wird.
Vorrichtung (100) zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils (106), welches einen Durchzug (114) mit einem an der Peripherie des Durchzugs (114) ausgebildeten Kragen (112) umfasst, wobei zur Herstellung des pressgehärteten Bauteils (106) ein Presshärtewerkzeug verwendet wird, dadurch charakterisiert, dass die Vorrichtung (100) ferner einen temperierten Stempel (108) aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, vor oder während der Presshärtung des Bauteils (106) in den Durchzug (114) eingefahren zu werden und dabei derart temperiert zu werden, dass die Temperatur im Bereich des Kragens (112) oberhalb der Martensit-Starttemperatur des eingesetzten Stahlwerkstoffes gehalten wird.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, wobei das Presshärtewerkzeug ein Oberwerkzeug (102) und ein Unterwerkzeug (104) umfasst, wobei in dem Oberwerkzeug (102) der Stempel (108) ausfahrbar und formschlüssig in einer ersten Aussparung eingebettet ist, und das Unterwerkzeug (104) eine zweite Aussparung (118) zur formschlüssigen Aufnahme des Stempels (108) in einer ausgefahrenen Position aufweist, wobei der Stempel (108) Mittel zur Temperierung (110) aufweist.