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Die Erfindung betrifft ein wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiertes Verfahren zur Herstellung eines Blechumformteils.
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Ein Verfahren der eingangsgenannten Art ist z. B. aus
DE 10 2009 053 368 A1 bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird ein bereitgestelltes Blechteil, welches aus einem hochfesten Metallwerkstoff hergestellt ist und welches vorbestimmte Abmessungen hat, in einem Warmumformhärtungsprozess warmumgeformt und mittels Abschreckhärtens verfestigt. Das daraus entstandene Blechumformteil wird danach zur Ausbildung einer Korrosionsschutzbeschichtung elektrolytisch beschichtet.
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Es ist allgemein bekannt, dass hochfeste Metallwerkstoffe nach einer Umformung, insbesondere nach einem Warmumformhärtungsprozess, zu einer wasserstoffinduzierten Rissbildung (verzögerten Rissbildung) neigen. Genauer lagert sich bei hochfesten Metallwerkstoffen freier Wasserstoff an Fehlstellen im Metallwerkstoff an. Kommt es zu einer Rekombination der freien diffusionsfähigen Wasserstoffatome hin zu einem Wasserstoffmolekül, so benötigt dieses deutlich mehr Platz. Tritt dieses Phänomen im Metallwerkstoff lokal gehäuft auf, kann es in diesem zu einer verzögerten bzw. wasserstoffinduzierten Rissbildung kommen.
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Um bei dem aus
DE 10 2009 053 368 A1 bekannten Verfahren den im Metallwerkstoff des Blechumformteils enthaltenen Wasserstoffanteil, welcher durch das elektrolytische Beschichten noch vergrößert werden kann, aus dem Metallwerkstoff auszutreiben, wird gemäß dem Verfahren nach dem elektrolytischen Beschichten eine Wärmebehandlung durchgeführt. Bei der Wärmebehandlung wird der verfestigte und beschichtete Metallwerkstoff auf eine vorbestimmte Behandlungstemperatur erwärmt und für eine vorbestimmte Behandlungszeit auf der Behandlungstemperatur gehalten. Um eine Beschädigung der Beschichtung zu vermeiden, wird die Behandlungstemperatur auf maximal 220°C vorbestimmt. Die Behandlungszeit wird auf mehreren Stunden vorbestimmt. Nach der Wärmebehandlung ist das Blechumformteil fertiggestellt.
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Nachteilig an diesem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Blechumformteils kann jedoch die lange Behandlungszeit sein, welche die Fertigstellung des Blechumformteils stark verzögert und einen insgesamt hohen Herstellungsaufwand bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiertes Verfahren zur Herstellung eines Blechumformteils so bereitzustellen, dass der Herstellungsaufwand reduziert wird.
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Dies wird mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß der Erfindung weist ein Verfahren zur Herstellung eines Blechumformteils zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf: Bereitstellen eines Blechteils, welches mit einem hochfesten Metallwerkstoff gebildet ist und welches vorbestimmte Abmessungen hat; Durchführen eines Umformprozesses an dem Blechteil; Verfestigen des Metallwerkstoffs; Durchführen einer Wärmebehandlung, wobei der verfestigte Metallwerkstoff auf eine vorbestimmte Behandlungstemperatur erwärmt und für eine vorbestimmte Behandlungszeit auf der Behandlungstemperatur gehalten wird; und Fertigstellen des Blechumformteils aus dem wärmebehandelten Metallwerkstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Behandlungstemperatur auf maximal 300°C vorbestimmt wird und die Behandlungszeit auf weniger als 60 min vorbestimmt wird.
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Dadurch, dass die Behandlungstemperatur auf maximal 300°C vorbestimmt wird, steht ein breiteres Prozessfenster für die Behandlungstemperatur zur Verfügung, so dass über die Behandlungstemperatur eine Wasserstoffaustreibmenge pro Zeiteinheit flexibler eingestellt werden kann. Bevorzugt wird die Behandlungstemperatur so vorbestimmt, dass sie in einem Bereich von 180°C bis 200°C liegt. Durch jüngste Forschungen wurde außerdem festgestellt, dass auch schon bei einer Behandlungszeit von weniger als 60 min der diffusionsfähige freie Wasserstoff so ausreichend aus dem Metallwerkstoff ausgetrieben werden kann, dass eine wasserstoffinduzierte, verzögerte Rissbildung zuverlässig verhindert werden kann. Durch die geringe Behandlungszeit von weniger als 60 min wird die Fertigstellung des Blechumformteils kaum verzögert. Bevorzugt wird die Behandlungszeit so vorbestimmt, dass sie blechdickenabhängig in einem Bereich von 20 min bis 30 min liegt oder sogar weniger als 20 min beträgt. Im Ergebnis wird durch die flexiblere Prozessführung und die stark reduzierte Behandlungszeit der Herstellungsaufwand reduziert.
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Ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Blechumformteil ist aus einem hochfesten Metallwerkstoff, insbesondere Stahlblech, gebildet. Unter einem hochfesten Metallwerkstoff wird ein Metallmaterial verstanden, dessen Zugfestigkeit mindestens 600 MPa beträgt. Somit schließt gemäß der Erfindung hochfester Metallwerkstoff auch höchstfeste und ultrahochfeste Metallwerkstoffe mit ein. Solche Metallwerkstoffe können beispielsweise Hoch-Mangan-Stahlgemische sein wie beispielsweise 22MnB5, 24MnB5, 26MnB5 und 30MnB5. Im Rahmen der Erfindung umfasst hochfester Metallwerkstoff aber auch z. B. kaltverfestigtes Metallmaterial. Bevorzugt handelt es sich bei dem Metallwerkstoff um Feinblech mit einer Blechstärke von ≤ 3,0 mm.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung dem Verfestigen des Metallwerkstoffs unmittelbar nachgeordnet durchgeführt. Insbesondere umfasst das Verfestigen des Metallwerkstoffs ein Verfestigen des Metallwerkstoffs auf eine bestimmte Maximalfestigkeit, wobei die Wärmebehandlung dem Verfestigen des Metallwerkstoffs auf die Maximalfestigkeit unmittelbar nachgeordnet durchgeführt wird. Unmittelbar nachgeordnet ist dabei auf eine Verfahrensschrittfolge bezogen und beinhaltet keine zeitliche Komponente. Mit anderen Worten ausgedrückt kann die Wärmebehandlung auch mit zeitlichem Abstand zum Verfestigen des Metallwerkstoffs, insbesondere zum Verfestigen des Metallwerkstoffs auf die Maximalfestigkeit, erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im Rahmen des Umformprozesses eine Kaltumformung an dem Metallwerkstoff durchgeführt, wobei das Verfestigen des Metallwerkstoffs ein Kaltverfestigen im Rahmen der Kaltumformung umfasst. Die Kaltumformung des Metallwerkstoffs kann beispielsweise erfolgen, um für die Bereitstellung des Blechteils eine kaltverfestigte Platine oder eine Formplatine herzustellen. Hierzu kann z. B. Blechmaterial bereitgestellt werden, welches im Rahmen der Kaltumformung einem Walzprozess mit veränderlichem Walzspalt unterzogen wird, wobei das Blechteil aus dem dem Walzprozess unterzogenen Blechmaterial bereitgestellt wird. Solches Blechmaterial wird auch als Tailored Rolled Blank (TRB) bezeichnet, wobei ein Blechband oder Coilmaterial kaltgewalzt wird und die Walzen durch Auf- und Abfahren unterschiedliche Blechdicken erzeugen.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung wird im Rahmen des Umformprozesses ein Warmumformhärtungsprozess an dem Blechteil durchgeführt, wobei das Verfestigen des Metallwerkstoffs ein Abschreckhärten im Rahmen des Warmumformhärtungsprozesses umfasst. Insbesondere ist der Warmumformhärtungsprozess als ein Formhärtungsprozess bzw. Presshärtungsprozess ausgebildet. Gerade bei einem Warmumformhärtungsprozess wie einem Presshärtungsprozess kommt es bei hochfestem Metallmaterial zu der wie oben beschriebenen Gefahr der verzögerten bzw. wasserstoffinduzierten Rissbildung. Somit lässt sich die erfindungsgemäße Wärmebehandlung gerade in einem solchen Fall besonders vorteilhaft anwenden, um eine solche Rissbildung zu verhindern.
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Um eine auf dem Warmumformhärtungsprozess basierende Verzunderung des Metallmaterials zu verhindern oder zu verringern, kann der Metallwerkstoff vor dem Warmumformhärtungsprozess beispielsweise mittels eines Coilcoatingprozesses oder einer Schmelztauchveredelung beschichtet werden. Als Beschichtung kommt z. B. eine aluminiumhaltige Beschichtung in Betracht.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung unter Nutzung von Abwärme aus einem anderen Prozess durchgeführt. Bevorzugt wird die Wärmebehandlung unter Nutzung von Abwärme aus dem Warmumformhärtungsprozess durchgeführt. Durch die Nutzung von Abwärme kann der Herstellungsaufwand für das Blechumformteil weiter reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung ohne Berücksichtigung eines Taupunktes durchgeführt. Üblicherweise wird z. B. beim Formhärten versucht, den vorhandenen freien Wasserstoff soweit es geht von dem Metallwerkstoff fern zu halten, indem bei der Erwärmung des Metallwerkstoffs eine Taupunktregelung durchgeführt wird. Eine solche Taupunktregelung ist aufwendig und schränkt das Prozessfenster beim Formhärten ein. Im Ergebnis kann der ganze Prozess des Formhärtens sehr störanfällig sein und kann sich der Herstellungsaufwand erhöhen. Zudem haben neuste Untersuchungen gezeigt, dass mit einer Taupunktregelung ein sicheres Verhindern von verzögerter bzw. wasserstoffinduzierter Rissbildung nicht gewährleistet werden kann. Durch die bevorzugte Vermeidung einer Taupunktregelung in der Wärmebehandlung kann somit der Herstellungsaufwand weiter reduziert werden.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Wärmebehandlung in einem Durchstoßofen, welcher vorteilhaft ohne eigene Antriebstechnik auskommt. Dadurch können der Investitions- und Wartungsaufwand gesenkt werden und kann im Ergebnis der Herstellungsaufwand noch weiter reduziert werden. Bevorzugt werden eine Vielzahl von Blechumformteilen gleichzeitig mittels freier Förderung, insbesondere unter Einsatz von Universal- und/oder Spezialladungsträgern, in den und aus dem Durchstoßofen gefördert. Der Durchstoßofen kann dabei z. B. ein- oder mehrstöckig aufgebaut sein. Die Wärmeübertragung auf jedes Blechumformteil im Durchstoßofen erfolgt z. B. mittels Leitung, Strahlung bzw. Konvektion.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung durchgeführt, indem ein für die Wärmebehandlung erwärmtes gasförmiges Medium (Umströmungsmedium), welches den Metallwerkstoff bei der Wärmebehandlung umströmt, in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert wird. Dies reduziert vorteilhaft den Energieaufwand für die Wärmebehandlung und damit den Herstellungsaufwand.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung unter Umgebungsatmosphäre, d. h. in erwärmter Umgebungsluft als Umströmungsmedium, durchgeführt. Damit lässt sich die Wärmebehandlung besonders einfach und kostengünstig realisieren. Alternativ kann die Wärmebehandlung z. B. auch in getrockneter Druckluft oder unter Schutzgas als jeweiliges Umströmungsmedium durchgeführt werden.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Blechumformteils (im Folgenden Herstellungsverfahren genannt) detaillierter beschrieben werden.
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Gemäß dem Herstellungsverfahren wird zunächst Blechmaterial in Form eines Coils bzw. zu einer Rolle gewickelten Blechbandes bereitgestellt. Das Blechmaterial ist als Feinblech mit einer Blechstärke von ≤ 3 mm ausgebildet und besteht aus einem hochfesten Metallwerkstoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa. Insbesondere ist der hochfeste Metallwerkstoff ein Hoch-Mangan-Stahl wie z. B. 22MnB5, welcher eine Zugfestigkeit von etwa 630 MPa hat.
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Um das Blechmaterial an spezielle mechanische Anforderungen anzupassen, kann dieses im Rahmen einer Kaltumformung, welche Teil eines Umformprozesses ist, als Blechband z. B. einem Walzprozess mit veränderlichem Walzspalt unterzogen werden. Auf diese Weise lässt sich per Walzen ein hinsichtlich unterschiedlicher Blechdicken maßgeschneidertes Blechmaterial (Tailored Rolled Blank – TRB) herstellen. Die Kaltumformung führt zu einer Kaltverfestigung des Metallwerkstoffs des Blechmaterials.
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Das bandförmige Blechmaterial kann zur Erhöhung seiner Verzunderungsbeständigkeit z. B. mit einer aluminiumhaltigen Beschichtung versehen werden, was z. B. durch einen Coilcoatingprozess oder eine Schmelztauchveredelung realisiert wird.
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Anschließend werden gemäß dem Herstellungsverfahren aus dem bandförmigen Blechmaterial Platinen abgelängt. Die Platinen können dann einem Beschnitt unterzogen werden. Im Ergebnis werden aus den Platinen Blechteile bereitgestellt, welche jeweils vorbestimmte Abmessungen haben.
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Anschließend können die aus dem hochfesten Metallwerkstoff bestehenden Blechteile je nach Anwendungsfall jeweils einer Kaltumformung unterzogen werden, um eine (weitere) Kaltverfestigung zu erreichen und/oder um eine Formplatine herzustellen. Im Rahmen dieser Kaltumformung ist auch denkbar, eine Endform des herzustellenden Blechumformteils vorzuformen oder nahezu fertigzuformen.
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Gemäß dem Herstellungsverfahren wird danach im Rahmen des Umformprozesses ein Warmumformhärtungsprozess an jedem Blechteil durchgeführt. Im Rahmen des Warmumformhärtungsprozesses wird an jedem Blechteil eine Warmumformung durchgeführt, bei welcher das Blechteil auf eine Temperatur von ca. 900°C erwärmt wird und entweder relativ stark umgeformt oder nur noch relativ gering umgeformt wird, um die Endform des Blechumformteils zu erzielen.
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Im Rahmen des Warmumformhärtungsprozesses wird an jedem auf die Endform des Blechumformteils gebrachten Blechteil ein Abschreckhärten durchgeführt, welches zu einer plötzlichen Abkühlung des Metallwerkstoffs und zu einem Verfestigen des Metallwerkstoffs auf eine bestimmte Maximalfestigkeit führt. Gemäß der beschriebenen Ausführungsform ist der Warmumformhärtungsprozess als ein Formhärtungsprozess bzw. Presshärtungsprozess ausgebildet.
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Gemäß dem Herstellungsverfahren wird dem Verfestigen des Metallwerkstoffs auf die Maximalfestigkeit unmittelbar nachgeordnet (ein zwischenzeitliches optionales weiteres Abkühlen der Blechteile bleibt dabei außer Betracht) dann eine Wärmebehandlung an jedem Blechteil durchgeführt, um durch aus dem Metallwerkstoff Austreiben des diffusionsfähigen freien Wasserstoffs eine wasserstoffinduzierte, verzögerte Rissbildung zuverlässig zu verhindern.
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Bei der Wärmebehandlung wird der auf die Maximalfestigkeit verfestigte Metallwerkstoff auf eine vorbestimmte Behandlungstemperatur von maximal 300°C erwärmt und für eine vorbestimmte Behandlungszeit von weniger als 60 min auf der Behandlungstemperatur gehalten. Bevorzugt wird die Behandlungstemperatur so vorbestimmt, dass sie in einem Bereich von 180°C bis 200°C liegt. Bevorzugt wird die Behandlungszeit so vorbestimmt, dass sie blechdickenabhängig in einem Bereich von 20 min bis 30 min liegt oder sogar weniger als 20 min beträgt. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Behandlungstemperatur beispielsweise 200°C und beträgt die Behandlungszeit 30 min.
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Gemäß dem Herstellungsverfahren wird die Wärmebehandlung bevorzugt in einem Durchstoßofen durchgeführt, welcher vorteilhaft ohne eigene Antriebstechnik auskommt und welcher z. B. ein- oder mehrstöckig aufgebaut sein kann. Dabei werden vorteilhaft eine Vielzahl von Blechumformteilen gleichzeitig mittels freier Förderung, insbesondere unter Einsatz von Universal- und/oder Spezialladungsträgern, in den und aus dem Durchstoßofen gefördert.
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Die Wärmebehandlung erfolgt bevorzugt ohne Berücksichtigung eines Taupunktes (welcher im Durchstoßofen z. B. unter 30°C liegt) und unter Umgebungsatmosphäre, d. h. in erwärmter Umgebungsluft. Der Durchstoßofen verfügt dabei vorteilhaft über eine Umluftfunktion, so dass die für die Wärmebehandlung erwärmte Umgebungsluft (Umströmungsmedium), welche den Metallwerkstoff der Blechumformteile bei der Wärmebehandlung umströmt, in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert wird. Die Wärmebehandlung wird vorteilhaft unter Nutzung von Abwärme aus einem anderen Prozess, insbesondere unter Nutzung von Abwärme aus dem Warmumformhärtungsprozess, durchgeführt.
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Nach Beendigung der Wärmebehandlung und Entnahme der Blechumformteile aus dem Durchstoßofen können die Blechumformteile frei an der Umgebungsatmosphäre auf Umgebungstemperatur abkühlen.
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Anschließend kann noch optional ein Endbeschnitt (insbesondere ein Laserbeschnitt) an den jeweiligen Blechumformteilen durchgeführt werden. Mit oder ohne Endbeschnitt sind in Bezug auf das hier beschriebene Verfahren nach der Wärmebehandlung die Blechumformteile aus dem wärmebehandeltem Metallwerkstoff fertiggestellt.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann durch folgende optionale Merkmale modifiziert bzw. beeinflusst sein. Es können bereits an den Platinen bzw. den daraus bereitgestellten Blechteilen Bauteilkanten wie z. B. Naturkanten vorhanden sein. An Kanten und/oder Radien der Blechteile bzw. Blechumformteile können nicht oder weniger stark oberflächenbeschichtete Bereiche vorgesehen werden bzw. vorhanden sein, welche eine Effusionsfähigkeit für den freien diffusiblen Wasserstoff verbessern. Innerhalb eines martensitischen Gefüges (z. B. nach der Abschreckhärtung) des Metallwerkstoffs können duktile Inseln ausgebildet werden bzw. vorhanden sein. Um die Duktilität in einer äußeren Faser des Metallwerkstoffs zu verbessern, kann direkt unterhalb der aluminiumhaltigen Beschichtung (wenn vorgesehen) eine Ferritzone ausgebildet werden bzw. vorhanden sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009053368 A1 [0002, 0004]