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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlbauteile und insbesondere von gehärteten Stahlbauteilen mit einer Korrosionsschutzbeschichtung wie beispielsweise einer Korrosionsschutzbeschichtung auf Basis von Zink.
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Es ist bekannt, gehärtete Stahlbauteile aus Stahlblechen zu erzeugen, wobei diese Stahlbleche zum Zwecke des Härtens zunächst auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt werden, um eine Phasenumwandlung zum Austenit hin innerhalb des Stahlgefüges durchzuführen. Anschließend wird dieses austenitische Gefüge durch Abschreckhärtung in ein martensitisches Gefüge umgewandelt, welches die hohe Härte des Stahlbauteils gewährleistet.
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Dieses Verfahren wird insbesondere bei Automobilteilen angewendet, wobei entweder das Stahlblechbauteil vorgeformt wird und das vorgeformte Stahlblechbauteil anschließend austenitisiert und in einem Formhärtewerkzeug durch Anlegen kalter Kühlplatten abschreckgehärtet wird oder eine ebene Platine austenitisiert wird und nach dem Autenitisieren in einem Presshärtewerkzeug umgeformt und gleichzeitig abschreckgehärtet wird.
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Sowohl das Formhärten als auch das Presshärten führen zu einem gehärteten Stahlblechbauteil.
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In den letzten Jahren ist es möglich geworden, auch bereits mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehene Stahlbleche, d. h., Stahlbleche mit einer Beschichtung auf Basis von Zink oder auf Basis von Aluminium einem solchen Umform- und Härteschritt zu unterziehen.
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Dabei hat sich herausgestellt, dass beim Presshärteverfahren, d. h. dann, wenn Umformung und Abschreckhärtung gleichzeitig durchgeführt werden, oftmals Risse in den Bauteilen zu beobachten sind. Diese Risse werden auf ein sogenanntes liquid metal embrittlement zurückgeführt, was bedeutet, dass flüssiges Beschichtungsmetall, also Zink oder Aluminium, mit dem Austenit in Berührung kommt, während das austenitische Gefüge mechanischer Spannung ausgesetzt ist. Dies soll zu den Rissen führen.
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Um dieses liquid metal embrittlement zu vermeiden, ist von der Anmelderin bekannt, das Stahlmaterial umwandlungsverzögert derart einzustellen, dass die Umwandlung von Austenit in Martensit erst bei Temperaturen stattfindet, die unterhalb der Schmelztemperatur der metallischen Beschichtung liegen. Da auch bei umwandlungsverzögerten Stählen zunächst die vollständige Austenitisierung herbeigeführt werden muss, ist eine Erhitzung oberhalb des sogenannten AC3-Punktes zwingend. Vor der Umformung kann bei solchen Stahlmaterialien jedoch abgewartet werden, bis sich diese Stahlmaterialien auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungsmetalls oder der Beschichtungsmetallegierung abgekühlt hat, um dann die Abschreckhärtung und Umformung durchzuführen. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass in dem Moment, in dem die austenitischen Phasen durch die Umformung mechanischen Spannungen unterworfen werden, kein flüssiges Metall an der Oberfläche mehr vorliegt.
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Ebenfalls von der Anmelderin bekannt ist es, die Platinen aus dem umwandlungsverzögerten Stahlmaterial, welche mit einer Korrosionsschutzbeschichtung auf metallischer Basis überzogen sind, mittels Kühlplatten auf eine gewünschte Temperatur unterhalb der Flüssigtemperatur des Beschichtungsmetalls abzukühlen, dann aus der Kühleinrichtung zu entnehmen und anschließend presszuhärten.
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Derartige Verfahren haben sich im Prinzip bewährt.
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Aus der
DE 10 2008 039 264 A1 ist ein Verfahren zum Formhärten mit Zwischenkühlung bekannt, bei dem eine Platine oder Teilbereiche einer Platine bis zur teilweisen oder vollständigen Austenitisierung des Gefüges erhitzt werden und die Platine in einem Presswerkzeug umgeformt wird, wobei die Platine oder Teilbereiche der Platine eine Zwischenkühlung durchlaufen, so dass die im Umformwerkzeug abzuführende Wärmemenge reduziert wird und/oder definierten Fließeigenschaften zur Vermeidung von Falten und Reißern eingestellt werden.
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Aus der
DE 10 2009 050 623 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlblechbauteils bekannt, wobei ein zugeschnittenes oder vorgeformtes Stahlblech auf eine vorgebbare Temperatur erwärmt und zum Umformen und/oder Aushärten in einem Werkzeug angeordnet wird, wobei nach dem Erwärmen und vor dem Umformen und/oder Aushärten vorgebbare Bereiche des Stahlblechs unterschiedlich temperiert werden. Hierbei werden Heiz- oder Kühlflächen mit den entsprechend zu temperierenden Bereichen eines Stahlblechs in Kontakt gebracht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Stahlbauteilen zu schaffen, welches leichter durchführbar und besser kontrollierbar ist.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei der Vorkühlung mit vollflächigem Kontakt zwischen Kühlplatten und den dabei auftretenden Druckkräften die zwischenzukühlenden Bleche sehr rasch abgekühlt werden. Durch diese rasche Abkühlung sind die vorhandenen Prozessfenster für den gesamten Kühlprozess, aber auch den Entnahme- und Weiterreichungsprozess zum Presshärten, sehr schmal.
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Um das Prozessfenster zu erweitern, haben die Erfinder schlecht wärmeleitende Platten verwendet und hiermit das Zwischenkühlverfahren durchgeführt. Es musste jedoch festgestellt werden, dass auch schlecht wärmeleitende Platten die Temperatur der Platinen zu schnell abführen.
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Erfindungsgemäß werden die Platten der Vorkühleinrichtung distanziert, was bedeutet, dass die Platten zwischen sich einen Spalt begrenzen, in dem die glühende Platine liegt, wobei der Spalt breiter ist als die Platine dick.
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Hierdurch wird die Platine beim Vorkühlen nicht flachgedrückt bzw. gepresst und es ergibt sich nur ein punktuell direkter Kontakt mit den Kühlplatten.
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Um einen Abstand zwischen der liegenden Kühlplatte und der Platine herzustellen, können sowohl die Platine als auch die Kühlplatte mit einer Konturierung ausgebildet sein. Eine Konturierung der Platine wird beim abschließenden Presshärten eigeebnet.
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Darüber hinaus können in der liegenden Platte Auflagen für die Platine vorhanden sein, welche die Platine lediglich punktuell kontaktieren und ansonsten von der Kühlplatte beabstanden. Ferner kann die durch den Erhitzungsprozess ohnehin vorhandene Welligkeit der zu kühlenden Platine dazu ausgenutzt werden, lediglich einen Teilkontakt mit der unteren Platte herzustellen.
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Um den Abstand zur oberen hängenden Kühlplatte einzustellen, können an der unteren, liegenden Kühlplatte Distanzstücke oder ein Distanzrahmen angeordnet sein, der der Blechdicke entspricht und zudem ein Aufmaß besitzt, wobei je nach Platine Aufmaßschablonen oder Stücke austauschbar aufsetzbar sind, sodass ein Übermaß gegenüber der Blechdicke von beispielsweise 0,05 bis 30 mm einstellbar ist. Zur Sicherstellung des „wobbling effekts” kann ein Aufmaß von 0,05 bis 2,0 mm bevorzugt 0,1 bis 0,5 mm bereits ausreichend sein.
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Das benötigte Übermaß ist von den Platinenabmessungen, sowohl der Platinentemperatur als auch Plattentemperatur und insbesondere der Blechdicke abhängig, insbesondere bei dickeren Platinen ab 2 bis 3 mm Blechdicke kann eine Konvektionsunterstützung mit Luftströmung zur Vergleichmäßigung vorteilhaft sein.
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Bei dünneren Platinen von bis zu ca. 1 mm kann ein geringeres Aufmaß bereits ausreichend sein.
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Mit einer solchen erfindungsgemäßen Anordnung wird die Abkühlung insgesamt deutlich verzögert. Es sind dennoch ausreichend hohe Kühlgeschwindigkeiten durch Konvektion in die entstehenden Hohlräume gewährleistet.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass auch bei einer solchen distanzierten Vorkühlung durch die Beabstandung der Kühlplatten voneinander die Platine beim Abkühlen „arbeitet” und sich windet. Dieser von den Erfindern „Wobbling-Effekt” genannte Sachverhalt führt dazu, dass die Platine immer an unterschiedlichen Stellen an den Platten anliegt, sodass überraschenderweise eine sehr gleichmäßige Abkühlung gewährleistet ist.
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Die hierdurch erreichbare Vorkühlung dauert ca. zehn Mal so lange wie eine Vorkühlung unter Pressung durch Kühlplatten und ist ausgesprochen gut kontrollier- und steuerbar.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
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1: das erfindungsgemäße Kühlwerkzeug mit einer Einrichtung zum Distanzieren,
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2: die Vorrichtung nach 1 in geschlossenem Zustand beim Vorkühlen der Platine;
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3: die Vorrichtung nach 1 in einer geschlossenen Position mit einer sich windenden Platine;
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4: die Vorrichtung nach 1 beim Öffnen mit der vorgekühlten Platine;
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5: fotografische Aufnahme unterschiedlicher Risstiefen nach distanzierter Vorkühlung und anschließender Warmumformung;
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6: ein erfindungsgemäßes Vorkühlwerkzeug mit schwimmenden Verschleiß-Temperierplatten,
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7: ein Vorkühlwerkzeug nach dem Stand der Technik,
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8: das Werkzeug nach 7 im geschlossenen Zustand.
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Ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1 für die Vorkühlung besitzt ein Werkzeugunterteil 2 und ein Werkzeugoberteil 3, welche aufeinander zu und voneinander weg bewegbar ausgebildet sind.
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An der unteren und/oder oberen Werkzeughälfte sind Einrichtungen zur Distanzierung 4 der Werkzeughälften 2, 3 in zusammengefahrenem Zustand vorhanden. Die Einrichtungen zur Distanzierung 4 sind dabei so ausgebildet, dass die Werkzeuge in geschlossenem Zustand einen Abstand voneinander besitzen, der der Blechdicke einer einzulegenden Platine 5 mindestens entspricht, vorzugsweise jedoch ein Aufmaß 6 besitzt. Das Aufmaß 6 beträgt beispielsweise 0,05–0,8 mm insbesondere 0,1 bis 0,6 mm.
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Zumindest im Werkzeugunterteil, jedoch vorteilhafterweise auch am Werkzeugoberteil, sind Auflagen 7, z. B. Auflagestifte 7, vorhanden, welche die Platine mit Abstand zum Werkzeugunterteil 2 und/oder Werkzeugoberteil 3 lagern. Hierbei können die Auflagen 7, z. B. Auflagestifte 7, in geöffnetem Zustand des Werkzeuges 1 weiter über die platinenseitige Oberfläche 8 vorstehen und in geschlossenem Zustand des Werkzeuges 1 lediglich einen geringeren Überstand besitzen und hierbei mit mechanischen Federn oder durch Gasdruck so federnd gelagert sein, dass sie Bewegungen der Platine 5 zulassen.
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Anstelle von Auflagen 7 oder zur Unterstützung der Auflagen 7, z. B. Auflagestifte 7, können auch eine Mehrzahl von Düsen in der Oberfläche des Werkzeugunterteils 2 und/oder Werkzeugoberteils 3 vorhanden sein, welche bezüglich ihrer Verteilung und des darin herrschenden Gasdrucks so angeordnet sind, dass die glühende Platine mit einem Luft- bzw. Gaskissen vom jeweiligen Werkzeugteil 2, 3 beabstandet ist. Das jeweils verwendete Gas oder Fluid kann hierbei temperiert sein, um ein zu schnelles Abkühlen zu verhindern.
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Des Weiteren kann vorteilhafterweise bei Platinen mit großer Blechdicke über eine Serie von Düsen oder in die Platten eingearbeitete Kanäle, bzw. seitlich über die Öffnung zwischen Ober- und Unterplatte, die Möglichkeit geschaffen werden, zusätzlich zur Kühlung mit Distanzierung ein gasförmiges Medium, Wasserdampf, Wassernebel oder eine kolloidale Suspension in das System einzubringen, um die Abkühlgeschwindigkeit der Platine genauer steuern zu können oder bei entsprechend großer Distanzierung der Kühlplatten die notwendigen Abkühlraten überhaupt erst erreichen zu können.
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Eine weitere Möglichkeit zur gezielten Temperatursteuerung kann darin bestehen, vorgewärmte, also erhitzte, Luft in das System einzubringen um die Abkühlgeschwindigkeit der Platine durch Verringerung des Temperaturdeltas von Platine zu geströmtem Medium exakter einzustellen.
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Vorteilhafterweise kann hier das Aufmaß zur Platine 5 bis 30 mm, insbesondere 10 bis 20 mm betragen um das Strömungsverhalten zu optimieren.
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Die zusätzlichen Kühlmedien können je nach Beschaffenheit und der Anforderung an die Unterstützung und Stabilisierung des Abkühlvorgangs mit hohem Druck und entsprechend angepasster Temperatur eingesetzt werden.
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Zusätzlich kann eine entsprechende Anströmung und/oder Oszillation der Strömung eine Vergleichmäßigung des erwünschte flattern (”wobbeln”) der Platine unterstützen. Der Abstand zwischen dem Werkzeugunterteil 2 und dem Werkzeugoberteil 3 bzw. die Dicke der Einrichtungen zur Distanzierung 4 wird dabei so gewählt, dass die Platine beim Vorkühlen nicht flachgedrückt und insbesondere nicht gepresst wird, sondern lediglich punktuellen Kontakt mit den Kühlplatten besitzt (2, 3). Durch den punktuellen Kontakt und das Abkühlen der Platine durch Konvektion in die Hohlräume 9 zwischen Platine und jeweiligem Werkzeugteil 2, 3 windet sich die Platine, sodass ein sogenannter Wobbling-Effekt entsteht. Diese Eigenbewegung der Platine aufgrund der Abkühlung und insbesondere entsprechender Schrumpfungen ist erwünscht, da die Anlage an den Werkzeugen sich hierdurch immer wieder ändert.
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Die Platine wird hierbei rasch genug abgekühlt, um noch warm ungeformt und gehärtet zu werden, jedoch dauert die Vorkühlung mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug und dem erfindungsgemäßen Verfahren etwa zehn Mal so lange wie bisher und ist dabei gut kontrollierbar.
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Nachdem die Platine auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt ist, wird das Werkzeug geöffnet, indem Werkzeugunterteil 2 und Werkzeugoberteil 3 auseinandergefahren werden (4), wobei vorhandene Auflagen 7, z. B. Auflagestifte 7, ausgefahren werden und die vorgekühlte Platine so anheben, dass sie gut entnommen werden kann.
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Die Risstiefen nach distanzierter Vorkühlung durch das liquid metal embrittlement konnten bei einer Versuchsreihe (5) ermittelt werden, wobei hierfür ein Stahlblech aus einem härtbaren Bormanganstahl (22 MnB5) mit einer Zinkauflage verwendet wurde (Z180). Das Stahlblech besaß eine Dicke von 1,5 mm und war bezüglich seiner Zusammensetzung umwandlungsverzögert eingestellt. Man erkennt von links nach rechts, dass unterschiedliche Vorkühltemperaturen von 760–480°C zu unterschiedlichen Risstiefen durch das liquid metal embrittlement führen. Von einer äußeren Oberfläche, an der man die Beschichtung (etwas dunkler und grobkörnig erscheinend) erkennt, reichen bei einer Vorkühltemperatur von lediglich 760°C die Risse bis in das Stahlmaterial hinein. Derartige Risstiefen sind bis zu einer Temperatur von 560°C erkennbar. Bei einer Temperatur von 760°C betrug die Vorkühlzeit lediglich 0,1 s. Bei einer Vorkühltemperatur von 510°C und 1,5 s Vorkühlzeit bzw. 480°C und 2 s Vorkühlzeit sind Risse in das Grundmaterial hinein nicht mehr zu erkennen.
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Die distanzierte Vorkühlung wurde hierbei mit einem Übermaß von 0,1 mm des Hohlraumes zwischen Werkzeugunterteil 2 und Werkzeugoberteil 3 zur Platinendicke durchgeführt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (6) sind bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug 1 bzw. den Werkzeughälften 2, 3 zu einer zu kühlenden Platine 5 hin Edelstahlplatten angeordnet.
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Diese Edelstahlplatten 10 sind vorzugsweise schwimmend an den platinenseitigen Flächen der unteren und oberen Werkzeughälften 2, 3 angeordnet, was bedeutet, dass sich die Edelstahlplatten, abhängig z. B. von einer Wärmedehnung, ausdehnen und zusammenziehen können. Insbesondere kann hierdurch ein unterschiedliches Wärmedehnungsverhalten des Materials der oberen und unteren Werkzeughälften 2, 3 und der Edelstahlplatten 10 ausgeglichen werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist von Vorteil, dass die Edelstahlplatten als verschleißbare Temperierplatten ausgebildet sind und bei Überschreiten einer Verschleißgrenze einfach ausgetauscht werden können, ohne dass die Werkzeughälften 2, 3 hierbei mit getauscht werden müssten.
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Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass ein Verfahren geschaffen wird, mit dem die Vorkühlung von umwandlungsverzögerten und insbesondere mit einer metallischen Korrosionsschutzschicht versehenen Blechen deutlich besser kontrollierbar wird und eine Verlängerung der Prozesszeit erreicht wird, welche eine feinfühligere Steuerung und Kontrolle des Prozesses ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeug
- 2
- Werkzeugunterteil
- 3
- Werkzeugoberteil
- 4
- Werkzeuge zur Distanzierung
- 5
- Platine
- 6
- Übermaß
- 7
- Auflagen
- 8
- Platinenseitige Oberfläche
- 9
- Hohlräume
- 10
- Verschleiß-Temperierplatte
