DE102015115049A1

DE102015115049A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen einer mechanischen Eigenschaft eines Werkstücks aus Stahl

Info

Publication number: DE102015115049A1
Application number: DE102015115049.2A
Authority: DE
Inventors: Axel Grüneklee; Nastasja Linke; Hans-Joachim Tschersich; Stephan Scharf; Thorsten Krenke
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: EP3141619A1; DE102015115049B4; EP3141619B1

Abstract

Die Erfindung betrifft unter anderem ein Verfahren zum Einstellen einer mechanischen Eigenschaft eines Werkstücks aus Stahl. Die Aufgabe, die Werkstückeigenschaften auf einfache Weise optimal an die Anforderungen anzupassen, wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Werkstück ein Grobblech oder ein hieraus hergestelltes Werkstück ist, wobei das Werkstück erhitzt wird, und wobei das erhitze Werkstück auf einer ersten Seite des Werkstücks und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Werkstücks zumindest abschnittsweise über ein Werkzeug temperiert wird, sodass die mechanische Eigenschaft so eingestellt wird, dass der Wert der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks zumindest abschnittsweise variiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer mechanischen Eigenschaft eines Werkstücks aus Stahl. Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeug zum Einstellen einer mechanischen Eigenschaft eines Werkstücks aus Stahl, wobei das Werkstück ein Grobblech oder ein hieraus hergestelltes Werkstück ist, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zudem betrifft die Erfindung ein Werkstück, insbesondere Karosseriebauteil.
Es ist insbesondere im Automobilbereich bekannt, die mechanischen Eigenschaften, etwa die Härte von Werkstücken aus Stahl, beispielsweise Mangan-Bor-Stahl, im Rahmen einer Warmumformung mittels Presshärten zu beeinflussen. Dabei wird das Werkstück zunächst über die Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend mittels eines gekühlten Umformwerkzeugs umgeformt und gleichzeitig abgekühlt, um ein Härten des Werkstücks zu erreichen. Im Automobilbereich und Karosseriebau kommen dabei praktisch ausschließlich Feinbleche, also Bleche mit Blechdicken im Bereich von etwa 1 mm bis 2,5 mm zum Einsatz. Hierdurch können unter anderem anvisierte Gewichtseinsparungen realisiert werden.
Um jedoch einzelne Bereiche des Werkstücks anwendungsgerecht auszugestalten, ist weiterhin das sogenannte „Tailored Tempering” oder das partielle Presshärten bekannt, bei dem durch das Härten nicht das gesamte Werkstück über seine gesamte Fläche in Martensit umgewandelt und gehärtet wird. Dem partiellen Presshärten liegt das Prinzip zugrunde, dass das zuvor auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzte Werkstück im Umformwerkzeug mit Ausnahme eines oder mehrerer einzelner Bereiche stark abgekühlt wird, insbesondere unter Verwendung einer Kühleinrichtung in Form von Kühlkanälen in der Matrize und dem Stempel des Umformwerkzeugs. Durch das schnelle Abkühlen wird das Gefüge an diesen Stellen vollständig in Martensit umgewandelt und dadurch vollständig pressgehärtet. In den übrigen Bereichen des Werkstücks wird ein deutlich langsameres Abkühlen des Gefüges ermöglicht, wodurch das Gefüge in diesen Bereichen nicht pressgehärtet wird. Ein entsprechendes Verfahren zum Warmumformen und ein entsprechendes Umformwerkzeug ist beispielsweise aus der DE 10 2006 019 395 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2010 027 554 A1 ist ferner ein Verfahren und ein entsprechendes Umformwerkzeug zum partiellen Presshärten eines Werkstücks bekannt, dem das Prinzip zugrunde liegt, nach dem Zusammendrücken von Stempel und Matrize unmittelbar einen beweglichen Stempelteil und einen gegenüberliegenden Matrizenteil wieder auseinander zu bewegen, damit für den Abkühlvorgang ein entsprechender Bereich des umgeformten Werkstücks nicht mit den Werkzeugkomponenten (Matrize, Stempel) in Kontakt ist, sondern der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird an dieser Stelle das umgeformte Werkstück beidseitig langsam über die Luft abgekühlt, wohingegen die benachbarten Abschnitte, die weiterhin mit den sich im zusammengedrückten Zustand befindenden Werkzeugkomponenten in Kontakt sind, über eine Kühleinrichtung in Form von Kühlkanälen in Matrize und Stempel schnell abgekühlt werden. Die schnelle Abkühlung führt auch hier zu einer vollständigen Umwandlung des Gefüges in Martensit. Die langsam abgekühlten Bereiche des Werkstücks werden auch hier nicht umgewandelt.
Durch die zuvor beschriebene Technik kann beispielsweise eine B-Säule aus einem monolithischen Blech hergestellt werden, wobei der obere Bereich beim Umformen extrem schnell abgekühlt wird, sodass eine martensitische Struktur entsteht, und der untere Bereich erhitzt wird, sodass sich ein ferritisch-bainitisches Gefüge einstellt. Die B-Säule erhält dadurch in ihrem unteren Bereich eine hohe Bruchdehnung zulasten der Festigkeit und in ihrem oberen Bereich eine hohe Festigkeit zulasten der Bruchdehnung. Dadurch können die Eigenschaften besser auf die gewünschte Funktionalität im Fahrzeug beim Seitencrash eingestellt werden.
Ein Nachteil des zuvor beschriebenen Standes der Technik ist allerdings, dass die Umformwerkzeuge relativ komplex aufgebaut sind und trotz des partiellen Presshärtens weiterhin nur begrenzte Möglichkeiten zur Anpassung der Werkstückeigenschaften bestehen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Werkstückeigenschaften auf einfache Weise optimal an die Anforderungen angepasst werden können.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Werkstück ein Grobblech oder ein hieraus hergestelltes Werkstück ist, wobei das Werkstück erhitzt wird, und wobei das erhitzte Werkstück auf einer ersten Seite des Werkstücks und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Werkstücks zumindest abschnittsweise über ein entsprechendes Werkzeug, insbesondere ein erfindungsgemäßes Werkzeug, temperiert wird, sodass die mechanische Eigenschaft so eingestellt wird, dass der Wert der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks zumindest abschnittsweise variiert.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass dadurch, dass das erhitzte Werkstück auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks zumindest abschnittsweise temperiert wird, mechanische Eigenschaften des Werkstücks variierend über die Dicke des Werkstücks gezielt eingestellt werden können. Dadurch kann selbst bei monolithischen Werkstücken mit im Wesentlichen homogenen mechanischen Eigenschaften auf einfache Weise eine Anpassung der Werkstückeigenschaften an die Anforderungen erreicht werden.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass bei Grobblechen oder daraus hergestellten Werkstücken nicht nur flächig, also zweidimensional variierend, Werkstoffeigenschaften eingestellt werden können (etwa durch partielles Presshärten wie eingangs beschrieben), sondern vielmehr auch entlang der Werkstückdicke, also entlang der dritten Dimension, die Werkstoffeigenschaft präzise eingestellt werden kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird also entlang der Werkstückdicke gerade keine homogene Werkstückeigenschaft eingestellt, sondern bewusst hiervon abgewichen.
Es versteht sich, dass das Verfahren jedoch mit den eingangs beschriebenen Verfahren kombiniert werden kann, also der Wert der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks nicht nur global am gesamten Werkstück, sondern auch nur partiell oder lokal in gewissen Bereichen des Werkstücks einstellt werden kann.
Zudem ist vorteilhaft, dass das gezielte Einstellen einer mechanischen Eigenschaft entlang der Dicke des Werkstücks über die Verfahrensparameter erfolgen kann. Die mechanische Eigenschaft braucht nicht mehr abschließend bereits zuvor über die Werkstoffgüte oder Werkstoffdicke des Werkstücks festgelegt zu werden, sondern kann auch noch anschließend über die Dicke des Werkstücks eingestellt werden. Derartige Verfahrensparameter sind beispielsweise die Temperatur des erhitzen Werkstücks, die durch das Temperieren erreichte Temperatur des Werkstücks, der erreichte Temperaturverlauf des Werkstücks, die Temperatur der Temperiermittel oder die Zuhaltezeit (beispielsweise von wenigen Sekunden bis zu 60 Sekunden) des verwendeten Werkzeugs, um einige Beispiele zu nennen.
Dies ist vorteilhaft gegenüber bisher verwendeten Verfahren, bei denen beispielsweise zwei Brammen unterschiedlicher Werkstoffgüten geschliffen, verschweißt und gewalzt werden mussten, um die mechanischen Eigenschaften entlang der Dicke des finalen Werkstücks variierend ausgestalten zu können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein vergleichbares Ergebnis deutlich einfacher und kostengünstiger erreicht werden.
Unter Grobblechen werden vorliegend insbesondere Bleche mit einer Dicke von mindestens 3 mm oder bevorzugt mehr als 3 mm verstanden. Das Werkstück ist insbesondere ein monolithisches Blech. Das Werkstück ist beispielsweise eine Platine.
Beispielsweise ist die Platine eine Formplatine. Diese muss nicht mehr weiter zugeschnitten werden. Es ist aber auch denkbar, dass das Werkstück ein bereits zumindest teilweise umgeformtes Werkstück ist.
Die einzustellende mechanische Eigenschaft kann beispielsweise die Härte, die Festigkeit, insbesondere die Zugfestigkeit und die Druckfestigkeit, die Elastizität, die Zähigkeit und/oder die Duktilität sein.
Unter einer Temperierung wird insbesondere die gezielte Regelung der Temperatur verstanden. Dabei wird insbesondere eine von der Umgebungstemperatur abweichende Temperatur eingestellt. Das Temperieren des Werkstücks kann beispielsweise durch eine aktive oder passive Temperierung erfolgen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einstellen der mechanischen Eigenschaft mit oder ohne Umformung des Werkstücks.
Erfolgt keine Umformung des Werkstücks, kann beispielsweise die Einstellung der mechanischen Eigenschaft im Rahmen einer Wärmebehandlung erfolgen. Hierbei können beispielsweise zwei temperierte Platten als Werkzeugkomponenten zur Temperierung einer Platine verwendet werden. Hierdurch kann insbesondere das Werkzeug einfach ausgestaltet werden. Die Platine kann dann im Anschluss umgeformt werden.
Erfolgt andererseits eine Umformung des Werkstücks beim Einstellen der mechanischen Eigenschaften, kann das Einstellen der mechanischen Eigenschaften im Rahmen eines (direkten) Warmumformens oder Presshärtens erfolgen. Durch die Integration in ein Presshärten wird das Einstellen der mechanischen Eigenschaften prozessökonomisch in die Herstellung eines Bauteils integriert. Das Werkstück wird dann beispielsweise durch ein Werkzeug umfassend Stempel und Matrize temperiert und umgeformt. Wird das Erhitzen und Temperieren des Werkstücks mit einem Umformen zu einem Presshärten verbunden, ergibt sich zudem der Vorteil, dass eine Verwechslungsgefahr der Werkstückseiten nicht entstehen kann, da das Werkstück erst beim Umformen die passenden mechanischen Eigenschaften erhält und das Werkstück nicht falsch herum eingelegt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Wert der mechanischen Eigenschaft von der ersten Seite des Werkstücks zur zweiten Seite des Werkstücks zumindest abschnittsweise abfällt und/oder ansteigt. Hierdurch kann ein den Erfordernissen angepasstes Profil der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks erreicht werden. Beispielsweise kann der Wert der mechanischen Eigenschaft von der ersten Seite zur zweiten Seite des Werkstücks durchgehen oder monoton ansteigen oder abfallen. Ist die mechanische Eigenschaft beispielsweise die Härte, kann auf der ersten Seite eine hohe Härte und auf der zweiten Seite eine hohe Zähigkeit (geringe Härte) erreicht werden (oder andersherum). Um ein weiteres Beispiel zu nennen, kann der Wert der mechanischen Eigenschaft auch zunächst abfallen und anschließend wieder ansteigen (oder andersherum).
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Eigenschaft in einem Bereich auf der ersten Seite des Werkstücks auf einen ersten Wert und die Eigenschaft in einem gegenüberliegenden Bereich auf der zweiten Seite des Werkstücks auf einen zweiten Wert eingestellt. Hierdurch kann das Werkstück gegenüberliegend abweichende Werte der mechanischen Eigenschaft aufweisen. Der zweite Wert kann beispielsweise höher oder niedriger als der erste Wert sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Eigenschaft in einem Bereich auf der ersten Seite und in einem Bereich auf der zweiten Seite des Werkstücks auf einen ersten Wert und die Eigenschaft in einem Mittenbereich zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite des Werkstücks auf einen zweiten Wert eingestellt. Hierdurch kann die Anpassung der Werkstückeigenschaften weiter optimiert werden. Beispielsweise kann das Werkstück außen auf der ersten und der zweiten Seite die gleiche oder zumindest ähnliche Eigenschaften aufweisen (zum Beispiel eine hohe Verschleißfestigkeit) und im inneren Bereich eine abweichende Eigenschaft (zum Beispiel eine hohe Zähigkeit).
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht die mechanische Eigenschaft des Werkstücks von dem ersten Wert zu dem zweiten Wert kontinuierlich über. Im Gegensatz zu bereits beschriebenen Verfahren, bei denen beispielsweise zwei Brammen zusammengeschweißt werden, kann durch das vorliegende Verfahren ein kontinuierlicher Verlauf erreicht werden. Ein derartiger Verlauf der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks kann je nach Einsatz vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Gradient, mit der die mechanische Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks variiert, zumindest abschnittsweise eingestellt. Durch ein derartiges gezieltes Einstellen des Verlaufs der mechanischen Eigenschaft kann eine noch bessere Anpassung der mechanischen Eigenschaft erreicht werden. Die gezielte Einstellung des Gradienten kann beispielsweise durch die Wahl der Verfahrensparameter erreicht werden. Beispielsweise wird dies durch Wahl der Zuhaltezeit, der Temperatur, der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmekapazität und/oder der Leistung der zur Temperierung vorgesehenen Mittel erreicht, um einige Beispiele zu nennen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstück auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite zumindest abschnittsweise nicht temperiert. Dies kann beispielsweise durch eine Unterbrechung der Temperiermittel erreicht werden. Hiermit wird die Anpassung der Werkstückeigenschaften im Ergebnis weiterhin optimiert. Beispielsweise wird durch eine lokale Unterbrechung von kühlenden Temperiermitteln ein lokaler Bereich geringerer Härte ausgebildet, in dem die weitere Verarbeitung des Werkstücks (zum Beispiel ein Umformen, insbesondere Biegen) vereinfacht wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstück auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite durch Begünstigung der Abkühlung des Werkstücks, insbesondere mittels einer gekühlten Werkzeugkomponente und/oder eines Kühlmittels, temperiert. Hierdurch wird kostengünstig ein Temperieren und im Ergebnis ein Einstellen der mechanischen Eigenschaft erreicht. Durch eine Begünstigung der Abkühlung kann insbesondere die Härte und/oder Festigkeit des Werkstücks auf der entsprechenden Seite gesteigert werden. Beispielsweise wird die entsprechende Seite des Werkstücks in direkten Kontakt mit der gekühlten Werkzeugkomponente bzw. dem Kühlmittel gebracht. Die gekühlte Werkzeugkomponente ist beispielsweise eine gekühlte Platte, ein gekühlter Stempel oder eine gekühlte Matrize. Die gekühlte Werkzeugkomponente weist beispielsweise eine Oberflächentemperatur von weniger als 200°C auf. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser sein, welches das Werkstück direkt oder indirekt kühlt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstück auf der ersten und/oder zweiten Seite durch Hemmung der Abkühlung des Werkstücks, insbesondere mittels einer beheizten Werkzeugkomponente und/oder eines Isoliermittels, temperiert. Unter einem Temperieren mit einem Isoliermittel wird insbesondere verstanden, dass mit dem Isoliermittel die Temperatur gehalten wird. Hierdurch wird kostengünstig ein Temperieren und im Ergebnis ein Einstellen der mechanischen Eigenschaft erreicht. Durch eine Hemmung der Abkühlung kann im Vergleich zu gekühlten Bereichen insbesondere eine geringere Härte, geringere Festigkeit und/oder höhere Zähigkeit des Werkstücks auf der entsprechenden Seite eingestellt werden. Beispielsweise wird die entsprechende Seite des Werkstücks in direkten Kontakt mit der beheizten Werkzeugkomponente bzw. dem Isoliermittel gebracht. Die beheizte Werkzeugkomponente ist beispielsweise eine beheizte Platte, ein beheizter Stempel oder eine beheizte Matrize. Die beheizte Werkzeugkomponente weist beispielsweise eine Oberflächentemperatur von bis zu 600°C auf. Eine beheizte Werkzeugkomponente hat den Vorteil, dass aktiv in die Temperatursteuerung eingegriffen werden kann. Das Isoliermittel ist beispielsweise eine Isolierplatte. Beispielsweise umfasst das Isoliermaterial ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Dies kann beispielsweise eine Keramik sein. Das Isoliermittel hat den Vorteil, dass keine aufwendige Steuerung notwendig ist, wie etwa bei einer aktiven Heiztechnik.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Werkstück eine Dicke von mindestens 3 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm und/oder eine Dicke von höchstens 150 mm, bevorzugt höchstens 25 mm, besonders bevorzugt höchstens 12 mm auf. Werkstücke mit diesen Dicken können insbesondere im Sicherheitsstahlbereich eingesetzt werden. Es hat sich zudem gezeigt, dass bei derartigen Dicken die Einstellung der mechanischen Eigenschaft über die Werkstückdicke zuverlässig möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstück auf eine Temperatur von mindestens 750°C, vorzugsweise mindestens 850°C und/oder auf eine Temperatur von höchstens 1000°C, vorzugsweise höchstens 950°C erhitzt. Bei dieser Anfangstemperatur erfolgt dann bevorzugt auch das Temperieren zum Einstellen der mechanischen Eigenschaft.
Das Werkstück kann beispielsweise aus einem Mangan-Bor-Stahl bestehen. Beispielsweise besteht das Werkstück aus einem Stahl, welcher eine oder mehrere der Legierungsbestandteile: C, Si, Mn, P, S, Cr, Mo, Ni aufweist. Optional können auch die Legierungsbestandteile Al, Ti, Nb, B und/oder V vorgesehen sein. Der Rest ist Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Bevorzugt und gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das Werkstück aus einem Stahl, wobei eines oder mehrere der Legierungsbestandteile in Gew.-% folgende Maximalgehalte aufweisen kann:
C ≤ 0,5,
Si ≤ 1,5, bevorzugt ≤ 0,5,
Mn ≤ 2,5, bevorzugt ≤ 1,80,
Cr ≤ 2,0, bevorzugt ≤ 1,50,
Ni ≤ 5,0, bevorzugt ≤ 2,0,
Ti ≤ 0,5, bevorzugt ≤ 0,01,
Al ≤ 0,15,
Nb ≤ 0,050 und/oder
B ≤ 0,0050.
Der Stahl kann also insbesondere in Bezug auf eine oder mehrere Legierungsbestandteile höher legiert sein als herkömmlicher Mangan-Bor Stahl (etwa 22MnB5), welcher zur Herstellung von Karosseriebauteilen eingesetzt wird. Insbesondere kann mit einer Stickstoffabbindung über Niob und Aluminium gearbeitet werden anstelle von Titan. Eines oder mehrere der Legierungsgehalte in Gew.-% insbesondere können bevorzugt folgende Minimalgehalte aufweisen:
C ≥ 0,15,
Mn ≥ 0,50,
Al ≥ 0,05,
Nb ≥ 0,015 und/oder
B ≥ 0,0010.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die mechanische Eigenschaft die Härte des Werkstücks. Es hat sich gezeigt, dass die Härte des Werkstücks mit dem Verfahren zuverlässig in einem weiten Bereich eingestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Härte auf Werte zwischen 200 HV10 und 800 HV10 (entspricht etwa 64,0 HRC), bevorzugt zwischen 300 HV10 (entspricht etwa 29,8 HRC) und 700 HV10 (entspricht etwa 60,1 HRC), besonders bevorzugt zwischen 400 HV10 (entspricht etwa 40,8 HRC) und 600 HV10 (entspricht etwa 55,2 HRC) eingestellt. Unter HV ist hier die Vickershärte gemäß DIN EN ISO 6507-1 (März 2006) und unter HRC die Rockwellhärte gemäß DIN EN ISO 6508-1 (März 2006) zu verstehen. Grundsätzlich ist die Härte von dem verwendeten Werkstoff für das Werkstück abhängig. Durch das Verfahren kann jedoch in den angegebenen Bereichen die Härte über die Dicke des Werkstücks hinweg variiert werden. So kann beispielsweise die Härte auf der ersten Seite des Werkstücks auf etwa 400 HV10 bzw. 40,8 HRC eingestellt werden und gegenüberliegend auf der zweiten Seite auf etwa 600 HV10 bzw. 55,2 HRC.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens variiert die Härte über die Dicke des Werkstücks um mindestens 50 HV10, bevorzugt mindestens 100 HV10, besonders bevorzugt mindestens 150 HV 10. Es hat sich gezeigt, dass innerhalb weniger Millimeter ein Härteunterschied von bis zu 200 HV10 realisiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Einstellung der mechanischen Eigenschaft auf der ersten Seite und/oder auf der zweiten Seite eine funktionale Oberflächenschicht erzeugt. Hierzu wird die mechanische Eigenschaft beispielsweise nur im oberflächennahen Bereich eingestellt. Hierdurch kann beispielsweise ein einseitiger Verschleißschutz realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Werkstück ein Karosseriebauteil, insbesondere eine A-, B-, C- oder D-Säule, ein Radhaus, eine Stirnwand oder eine insbesondere planare Zusatzschutzkomponente, hergestellt, insbesondere für ein gepanzertes Fahrzeug. Bei derartigen Bauteilen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bauteile verschiedene Eigenschaften miteinander in einem Bauteil vereinen können. So kann ein derartiges Karosseriebauteil für eine Sicherung gegen direkten Beschuss zum einen eine hohe Härte aufweisen, beispielsweise auf der ersten Seite oder auf der ersten und zweiten Seite, und zudem gegen Ansprengungen eine hohe Zähigkeit aufweisen, beispielsweise auf der zweiten Seite oder in einem Mittenbereich zwischen der ersten und der zweiten Seite.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein gattungsgemäßes Werkzeug mit ersten Temperiermitteln, mit den ersten Temperiermitteln zumindest bereichsweise gegenüberliegenden zweiten Temperiermitteln, und mit einem Aufnahmebereich zur Aufnahme des erhitzten Werkstücks zwischen den ersten und den zweiten Temperiermitteln, sodass die ersten Temperiermittel auf der ersten Seite des Werkstücks und die zweiten Temperiermittel auf der zweiten Seite des Werkstücks angeordnet oder anordenbar sind, wobei das Werkzeug dazu eingerichtet ist, die mechanische Eigenschaft so einzustellen, dass der Wert der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks zumindest abschnittsweise variiert.
Dadurch, dass das Werkzeug dazu eingerichtet ist, die mechanische Eigenschaft so einzustellen, dass der Wert der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks zumindest abschnittsweise variiert, kann mit der Vorrichtung auf einfache Weise ein über die Dicke in seinen mechanischen Eigenschaften angepasstes Werkstück hergestellt werden.
Das Werkzeug kann beispielsweise dadurch zum Einstellen der mechanischen Eigenschaft eingerichtet sein, dass die Temperiermittel entsprechend eingerichtet sind, beispielsweise eine bestimmte Temperatur, Kühlleistung, Heizleistung, Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität aufweisen. Als weiteres Beispiel kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, eine bestimmte Zuhaltezeit vorzusehen, sodass sich die gewünschte variierende mechanische Eigenschaft über die Werkstückdicke ergibt.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeugs sind die ersten und die zweiten Temperiermittel zur Begünstigung der Abkühlung des Werkstücks ausgebildet. Dadurch können insbesondere auf der ersten und der zweiten Seite des Werkstücks der gleiche oder ein ähnlicher Wert der Eigenschaft (zum Beispiel eine hohe Härte bzw. geringe Zähigkeit) eingestellt werden und im Mittenbereich ein abweichender Wert (zum Beispiel eine geringe Härte bzw. hohe Zähigkeit).
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeugs sind die ersten Temperiermittel zur Begünstigung der Abkühlung des Werkstücks und die zweiten Temperiermittel zur Hemmung der Abkühlung des Werkstücks ausgebildet. Dadurch können insbesondere auf der ersten und der zweiten Seite des Werkstücks unterschiedliche Werte der Eigenschaft (zum Beispiel eine hohe Härte bzw. geringe Zähigkeit einerseits und eine geringe Härte bzw. hohe Zähigkeit andererseits) eingestellt werden.
In Bezug auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Werkzeugs wird auf die Beschreibung des Verfahrens verwiesen, wobei durch die Offenbarung von bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens auch entsprechende Mittle zur Durchführung der Verfahrensschritte offenbart sein sollen.
Gemäß einer dritten Lehre der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch ein gattungsgemäßes Werkstück, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren gelöst. Die Werkstücke zeichnen sich also insbesondere dadurch aus, dass der Wert einer mechanischen Eigenschaft des Werkstücks über die Dicke des Werkstücks zumindest abschnittsweise variiert. Im Unterschied zu Werkstücken aus dem Stand der Technik, welche durch zwei geschweißte und gewalzte Brammen unterschiedlicher Werkstoffgüte bestehen, können die erfindungsgemäßen Werkstücke in dem Bereich der variierenden Eigenschaft gerade aus einem Werkstoff bestehen und trotzdem variierende Eigenschaften aufweisen.
In Bezug auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Werkstücks wird auf die Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Werkstücks verwiesen.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
1 erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück;
2 zweite erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück;
3 dritte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück;
4 vierte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück;
5 fünfte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück; und
6 das erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel mit exemplarischen Härteverläufen.
1 zeigt zunächst erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück. Ein Werkstück 1 mit einer ersten Seite 2 und einer zweiten Seite 4 wird in einem Ofen (nicht dargestellt) erhitzt und in einen Aufnahmebereich 7 zwischen zwei Temperiermittel 6, 8 gebracht (1a). Das Werkstück 1 kann in allen Figuren beispielsweise eine Platine, Formplatine oder ein vorgeformtes Werkstück darstellen. Ebenso können die Temperiermittel 6, 8 in allen Figuren beispielsweise als plattenförmige Werkzeugkomponenten oder als formgebende Stempel und Matrize ausgebildet sein. Das heißt, das Werkstück 1 kann jeweils lediglich ohne Umformung durch die Temperiermittel 6, 8 wärmebehandelt werden oder auch gleichzeitig durch die Temperiermittel 6, 8 umgeformt werden.
In 1 sind die ersten Temperiermittel 6 zur Begünstigung der Abkühlung des Werkstücks 1 ausgebildet, beispielsweise als gekühlte Platte. Die zweiten Temperiermittel 8 sind zur Hemmung der Abkühlung des Werkstücks ausgebildet, beispielsweise als beheizte Platte oder Isolierplatte.
Die Temperiermittel 6, 8 werden dann zusammengefahren und in direkten Kontakt mit dem erhitzten Werkstück 1 gebracht (1b). Während das Werkstück bei der dargestellten Konfiguration auf der oberen ersten Seite 2 eine sehr schnelle Abkühlung erfährt und somit gehärtet wird, wird die untere zweite Seite 4 deutlich langsamer abgekühlt und nicht oder nur zu einem deutlich geringeren Anteil gehärtet.
Somit wird ein monolithisches Werkstück 2 gebildet, welches auf der ersten und zweiten Seite 2, 4 unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist. In diesem Beispiel wird die Härte in einem Bereich 10 auf der ersten Seite 2 des Werkstücks 1 auf einen ersten Wert von etwa 600 HV10 und die Härte in einem gegenüberliegenden Bereich 12 auf der zweiten Seite 4 des Werkstücks 1 auf einen zweiten Wert von etwa 400 HV10 eingestellt (1c). Es ergibt sich also ein kontinuierlicher Härteanstieg, wie durch den Pfeil 14 veranschaulicht. Dies ist ein deutlich vereinfachter und kostengünstigerer Fertigungsweg im Vergleich zu dem bisher verwendeten Prozess, bei dem zwei Brammen unterschiedlicher Güte miteinander verschweißt und gewalzt werden. Durch den Einsatz verschiedener Materialgüten kann eine hohe Varianz des finalen Werkstücks 1 erzielt werden. Zudem kann durch die Wahl der Temperaturen der Temperiermittel 6, 8 eine Steuerung der mechanischen Eigenschaften des Werkstücks 1 ermöglicht werden. Im Ergebnis werden durch die Wahl der Verfahrensparameter und nicht durch die Wahl der Materialgrundgüte die Variationen der Werkstückeigenschaften erzeugt.
2 zeigt zweite erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück. Das Werkstück 1 soll in diesem Fall im oberen Bereich auf Beschusshemmung (hohe Härte) ausgelegt werden, während im unteren Bereich auch eine Ansprengung erfolgen kann (hohe Härte und Zähigkeit). Dies kann beispielsweise bei einer B-Säule der Fall sein, welche aus dem Werkstück 1 durch die Temperiermittel 6, 8 in Form von Stempel und Matrize pressgehärtet werden kann. Dazu wird das Werkstück 1 wiederum zwischen Temperiermittel 6, 8 eingelegt (2a). Beim Werkstück 1 wird nur lokal im unteren Bereich 16 eine über die Dicke variierende Härte eingestellt, da das Werkstück hier mit den Werkzeugkomponenten 6, 8 in Kontakt kommt, während im oberen Bereich 18 das Werkstück 1 wie gewohnt durchgängig gehärtet wird, da in diesem Bereich das Werkstück 1 mit den gekühlten Werkzeugkomponenten 6, 20 in Kontakt kommt (2b).
3 zeigt dritte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück. Die zweiten Temperiermittel 8 können wiederum als beheizte oder isolierende Werkzeugkomponente ausgebildet sein (3a). Die ersten Temperiermittel 6 sind in diesem Fall nicht durch eine Werkzeugkomponente ausgebildet, sondern durch ein Kühlmittel in Form von Wasser, welches mit der ersten Seite 2 des Werkstücks 1 in Kontakt gebracht wird (3b).
4 zeigt vierte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück. In diesem Fall sind sowohl die ersten Temperiermittel 6, als auch die zweiten Temperiermittel 8 als gekühlte Werkzeugkomponenten ausgebildet (4a, 4b). Dabei sind diese jedoch derart eingerichtet, dass die Härte in einem Bereich 22 auf der ersten Seite 2 und in einem Bereich 24 auf der zweiten Seite 4 des Werkstücks 1 auf einen ersten Wert von etwa 600 HV10 und die Härte in einem Mittenbereich 26 zwischen der ersten Seite 2 und der zweiten Seite 4 des Werkstücks 1 auf einen zweiten Wert von etwa 400 HV10 eingestellt wird (4c). Somit ergibt sich ein kontinuierlicher Härteabfall von außen nach innen, wie durch die Pfeile 28 angedeutet. Durch die Wahl geeigneter Verfahrensparameter der Temperiermittel 6, 8 kann erreicht werden, dass in den Randbereichen sehr schnell sehr viel Wärme entzogen wird, sodass eine hohe Abkühlgeschwindigkeit und somit eine hohe Härte erreicht wird. Im Inneren des Werkstücks 1 wird eine relativ langsame Abkühlgeschwindigkeit angestrebt, um einen weichen, zähen Kern zu bilden. Hierzu können beispielsweise gekühlte Temperiermittel 6, 8 mit sehr geringer Wärmekapazität eingesetzt werden, damit sich diese während des Verfahrens schnell aufheizen und somit schon nach kurzer Zeit nicht mehr in der Lage sind, dem Werkstück 1 weitere Wärme zu entziehen, sodass eine geringere Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird.
5 zeigt fünfte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Werkzeug, Verfahren und Werkstück. Hierbei sind die Temperiermittel, welche zur Begünstigung der Kühlung vorgesehen sind (Temperiermittel 6, 8 in 5a, Temperiermittel 6 in 5b), mit einer Unterbrechung versehen, sodass das Werkstück 1 auf der ersten Seite 2 bzw. der zweiten Seite 4 zumindest abschnittsweise nicht temperiert wird. Durch die Unterbrechung der Kühlung wird ein lokal begrenzter Bereich geschaffen, welcher sich durch eine geringere Härte auszeichnet. Das Werkstück 1 ist dadurch in diesem lokalen Bereich für weitere Verarbeitungsschritte besser umformbar, zum Beispiel biegbar.
6 zeigt noch einmal das erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel mit exemplarischen Härteverläufen. 6a zeigt eine vergrößerte Ansicht des Werkstücks 1 mit den Temperiermitteln 6, 8, wie in der Konfiguration in 1 gezeigt. 6b veranschaulicht den Verlauf der Härte in zwei Szenarien A und B über die Werkstückdicke vom Bereich 10 (erste Seite 2, etwa 600 HV10) zum Bereich 12 (zweite Seite 4, etwa 400 HV10). Dazu ist entlang der Achse 30 die Position entlang der Werkstückdicke und entlang der Achse 32 die Härte aufgetragen.
Der Härteverlauf A stellt sich ein, wenn die ersten gekühlten Temperiermittel 6 so ausgelegt sind, dass eine sehr große Menge Wärme in kurzer Zeit entzogen werden kann, da beispielsweise die Temperatur sehr gering ist und/oder eine sehr leistungsfähige Kühlung angeschlossen ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch das beheizte Temperiermittel 8 eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweisen. Die Zuhaltezeit des Werkzeugs ist dabei länger als in Szenario B, um die größere Tiefe der Durchhärtung zu erreichen.
Der Härteverlauf B stellt sich ein, wenn die Temperatur der ersten gekühlten Temperiermittel 6 höher ist als in Szenario A und/oder die Kühlleistung geringer ist als in Szenario A. Alternativ oder zusätzlich können auch die zweiten beheizten Temperiermittel 8 eine entsprechend höhere Temperatur aufweisen. Die Zuhaltezeit des Werkzeugs ist geringer, damit die hohe Abkühlgeschwindigkeit (und damit Härtung) möglichst nur im Randbereich des Werkstücks 1 erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006019395 A1 [0003]
DE 102010027554 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 6507-1 [0035]
DIN EN ISO 6508-1 [0035]

Claims

Verfahren zum Einstellen einer mechanischen Eigenschaft eines Werkstücks aus Stahl, – wobei das Werkstück ein Grobblech oder ein hieraus hergestelltes Werkstück ist, – wobei das Werkstück erhitzt wird, und – wobei das erhitze Werkstück auf einer ersten Seite des Werkstücks und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Werkstücks zumindest abschnittsweise über ein Werkzeug, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, temperiert wird, sodass die mechanische Eigenschaft so eingestellt wird, dass der Wert der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks zumindest abschnittsweise variiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der mechanischen Eigenschaft mit oder ohne Umformung des Werkstücks erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wert der mechanischen Eigenschaft von der ersten Seite des Werkstücks zur zweiten Seite des Werkstücks zumindest abschnittsweise abfällt und/oder ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Eigenschaft in einem Bereich auf der ersten Seite des Werkstücks auf einen ersten Wert und die Eigenschaft in einem gegenüberliegenden Bereich auf der zweiten Seite des Werkstücks auf einen zweiten Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Eigenschaft in einem Bereich auf der ersten Seite und in einem Bereich auf der zweiten Seite des Werkstücks auf einen ersten Wert und die Eigenschaft in einem Mittenbereich zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite des Werkstücks auf einen zweiten Wert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die mechanische Eigenschaft des Werkstücks von dem ersten Wert zu dem zweiten Wert kontinuierlich übergeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Gradient, mit dem die mechanische Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks variiert, zumindest abschnittsweise eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Werkstück auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite zumindest abschnittsweise nicht temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Werkstück auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite durch Begünstigung der Abkühlung des Werkstücks, insbesondere mittels einer gekühlten Werkzeugkomponente und/oder eines Kühlmittels, temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Werkstück auf der ersten und/oder zweiten Seite durch Hemmung der Abkühlung des Werkstücks, insbesondere mittels einer beheizten Werkzeugkomponente und/oder eines Isoliermittels, temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Werkstück eine Dicke von mindestens 3 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm und/oder eine Dicke von höchstens 150 mm, bevorzugt höchstens 25 mm, besonders bevorzugt höchstens 12 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Werkstück auf eine Temperatur von mindestens 750°C, vorzugsweise mindestens 850°C und/oder auf eine Temperatur von höchstens 1000°C, vorzugsweise höchstens 950°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Werkstück aus einem Stahl besteht, wobei eines oder mehrere der Legierungsbestandteile in Gew.-% wie folgt begrenzt sind: C ≤ 0,5 Si ≤ 1,5 Mn ≤ 2,5 Cr ≤ 2,0 Ni ≤ 5,0 Ti ≤ 0,5.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die mechanische Eigenschaft die Härte des Werkstücks ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Härte auf Werte zwischen 200 HV10 und 800 HV10, bevorzugt zwischen 300 HV10 und 700 HV10, besonders bevorzugt zwischen 400 HV10 und 600 HV10 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Härte über die Dicke des Werkstücks um mindestens 50 HV10, bevorzugt mindestens 100 HV10, besonders bevorzugt mindestens 150 HV10 variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei durch die Einstellung der mechanischen Eigenschaft auf der ersten Seite und/oder auf der zweiten Seite eine funktionale Oberflächenschicht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei aus dem Werkstück ein Karosseriebauteil, insbesondere eine A-, B-, C- oder D-Säule, ein Radhaus, eine Stirnwand oder eine insbesondere planare Zusatzschutzkomponente, hergestellt wird, insbesondere für ein gepanzertes Fahrzeug
Werkzeug zum Einstellen einer mechanischen Eigenschaft eines Werkstücks (1) aus Stahl, wobei das Werkstück (1) ein Grobblech oder ein hieraus hergestelltes Werkstück ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, – mit ersten Temperiermitteln (6) und – mit den ersten Temperiermitteln (6) zumindest bereichsweise gegenüberliegenden zweiten Temperiermitteln (8), – mit einem Aufnahmebereich (7) zur Aufnahme des erhitzten Werkstücks (1) zwischen den ersten und den zweiten Temperiermitteln (6, 8), sodass die ersten Temperiermittel (6) auf der ersten Seite (2) des Werkstücks (1) und die zweiten Temperiermittel (8) auf der zweiten Seite (4) des Werkstücks (1) angeordnet oder anordenbar sind, wobei das Werkzeug dazu eingerichtet ist, die mechanische Eigenschaft so einzustellen, dass der Wert der mechanischen Eigenschaft über die Dicke des Werkstücks (1) zumindest abschnittsweise variiert.
Werkzeug nach Anspruch 19, wobei die ersten und die zweiten Temperiermittel (6, 8) zur Begünstigung der Abkühlung des Werkstücks (1) ausgebildet sind.
Werkzeug nach Anspruch 19, wobei die ersten Temperiermittel (6) zur Begünstigung der Abkühlung des Werkstücks (1) und die zweiten Temperiermittel (8) zur Hemmung der Abkühlung des Werkstücks (1) ausgebildet sind.
Werkstück, insbesondere Karosseriebauteil, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 18.