DE102017110864B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen gehärteter Stahlblechbauteile mit unterschiedlichen Blechdicken - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen gehärteter Stahlbauteile aus miteinander verschweißten Blechen (2, 3) unterschiedlicher Dicke und/oder Blechen, die mit unterschiedlichen Dicken gewalzt sind, wobei die zusammengeschweißten und/oder gewalzten Bleche umgeformt und erhitzt werden oder erhitzt und dann umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizgeschwindigkeiten eines Bereichs mit zumindest einem dünneren Blech (2) und eines Bereichs mit zumindest einem dickeren Blech (3) so angepasst werden, dass die gewünschte Zieltemperatur Ac3 der Platine oder des Bauteils von den Bereichen unterschiedliche Dicke zum im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt erreicht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen gehärteter Stahlbauteile mit unterschiedlichen Blechdicken.
  • Gehärtete Stahlbauteile haben insbesondere im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass durch ihre herausragenden mechanischen Eigenschaften eine Möglichkeit besteht, eine besonders stabile Fahrgastzelle zu erstellen, ohne dass Bauteile verwendet werden müssen, die bei normalen Festigkeiten viel massiver und dadurch schwerer ausgebildet wären.
  • Zur Erzeugung derartiger gehärteter Stahlbauteile werden Stahlsorten, die durch eine Abschreckhärtung härtbar sind, verwendet. Derartige Stahlsorten sind zum Beispiel borlegierte Mangankohlenstoffstähle, wobei der am weitesten eingesetzte, hier der 22MnB5 ist. Aber auch andere borlegierte Mangankohlenstoffstähle werden hierfür verwendet.
  • Um die aus diesen Stahlsorten gehärtete Bauteile zu erzeugen, muss das Stahlmaterial auf die Austenitisierungstemperatur (>Ac3) erhitzt werden und abgewartet werden, bis der Stahlwerkstoff austenitisiert ist. Je nach gewünschtem Härtegrad können hier Teil- oder Vollaustenitisierungen erzielt werden.
  • Wird ein solches Stahlmaterial nach der Austenitisierung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt, wandelt die austenitische Struktur in eine martensitische, sehr harte Struktur um. Auf diese Weise sind Zugfestigkeiten Rm bis über 1500 MPa erzielbar.
  • Zur Erzeugung der Stahlbauteile sind derzeit zwei Verfahrenswege üblich.
  • Beim sogenannten Formhärten wird eine Stahlblechplatine aus einem Stahlband abgetrennt beispielsweise ausgeschnitten oder gestanzt und anschließend in einem üblichen, beispielsweise fünfstufigen Tiefziehprozess zum fertigen Bauteil tiefgezogen. Dieses fertige Bauteil wird hierbei etwas kleiner dimensioniert, um eine nachfolgende Wärmedehnung beim Austenitisieren zu kompensieren.
  • Das so erzeugte Bauteil wird anschließend austenitisiert und dann in ein Formhärtewerkzeug eingelegt, in dem es gepresst, aber nicht oder nur sehr gering umgeformt wird und durch die Pressung die Wärme aus dem Bauteil in das Presswerkzeug fließt, und zwar mit der über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit.
  • Der weitere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten, bei dem eine Platine aus einem Stahlblechband abgetrennt bspw. ausgeschnitten oder gestanzt wird, anschließend die Platine austenitisiert wird und die heiße Platine in einem vorzugsweise einstufigen Schritt umgeformt und gleichzeitig mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt wird.
  • In beiden Fällen können mit metallischen Korrosionsschutzschichten z.B. mit Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink versehene Platinen verwendet werden. Das Formhärten wird auch als indirekter Prozess bezeichnet und das Presshärten als direkter Prozess. Der Vorteil des indirekten Prozesses ist, dass aufwändigere Werkstücksgeometrien realisierbar sind.
  • Der Vorteil des direkten Prozesses ist, dass ein höherer Materialnutzungsgrad erreicht werden kann. Jedoch ist die erreichbare Bauteilkomplexität vor allem beim einstufigen Umformprozess geringer.
  • Somit werden beim Formhärten fertig geformte und üblicherweise auch fertig gelochte Bauteile durch einen Durchlaufofen geführt und auf Austenitisierungstemperatur erhitzt. Für den Transport werden diese Bauteile üblicherweise auf Ofenträgern abgesetzt.
  • Beim Presshärten werden die Platinen üblicherweise entweder mit oder ohne Ofenträger mittels Ketten oder Hubbalken oder Keramikrollen durch einen Durchlaufofen befördertund auf Austenitisierungstemperatur erhitzt. Beim Presshärten ist es ebenfalls üblich, die Platinen in einem Mehrlagenkammerofen zu erhitzen.
  • Diese Verfahren sind beispielsweise aus der EP1658390 oder der EP1651789 bekannt.
  • Darüber hinaus ist es bekannt, derartige formgehärtete oder pressgehärtete Bauteile mit Zonen unterschiedlicher Eigenschaften herzustellen. Hierbei ist es zum Beispiel üblich, bestimmte Bereiche der Platine oder des Bauteils nicht bis zur Austenitisierungstemperatur aufzuheizen, so dass beim anschließenden Abschrecken diese Bereiche auch nicht gehärtet werden. Hierdurch können Zonen mit einer geringeren Härte und höherer Duktilität erzeugt werden. Es ist bekannt, derartige weichere Zonen durch das geringe Beabstanden bzw. Anlegen von Absorptionsmassen, das Abschirmen dieser Bereiche vor Wärmestrahlung oder das Nichtaussetzen dieser Bereiche einer zusätzlichen Wärmestrahlung zu erzielen.
  • Es handelt sich hierbei um sogenannte Tailored Property Parts (TPP). Solche Verfahren sind insbesondere aus der DE102007013739B3 , DE102008027460B9 ; DE102013108044B3 ; DE102006054389B4 , DE102011056444B3 , KR20160031140A , DE20014361U1 , EP1180470B1 , DE102012102193A1 , DE102012102194A1 , EP2322672A1 , DE102006018406B4 , DE102009023195A1 , EP2336374A1 , DE102012016075B4 , DE202012007777U1 und DE102013212816B4 bekannt.
  • Ferner ist es bekannt, Bauteile mit unterschiedlichen Bereichen dadurch zu erzeugen, dass unterschiedliche Stahlgüten verwendet werden, d.h. zum Beispiel Stahlgüten, die mit einem Form- oder Presshärteverfahren härtbar sind, mit Stahlgüten zu kombinieren, die zum Beispiel nicht oder nicht so hoch härtbar sind.
  • Derartige Bauteile, die auch als Tailor Welded Parts (TWP) bezeichnet werden, bestehen beispielsweise aus einem im Form- oder Presshärteverfahren härtbaren Bor-Mangan-Stahl, wie zum Beispiel einem 22MnB5 und zusätzlich einem mikrolegierten Stahl und anderen Stählen, die bezüglich der Härtung ein unterschiedliches Verhalten zu den hochhärtbaren Stählen zeigen.
  • Darüber hinaus ist es aus den oben genannten Veröffentlichungen bekannt, unterschiedliche Eigenschaften auch durch unterschiedliche Blechdicken zu realisieren, so dass ein press- oder formgehärtetes Bauteil Zonen unterschiedlicher Blechdicken und damit auch unterschiedlicher Eigenschaften besitzt. Bereiche unterschiedlicher Blechdicke können dabei auch aus unterschiedlichen Stahlgüten hergestellt sein, so dass ein dünnerer Bereich aus einer ersten Stahlgüte besteht und ein dickerer Bereich aus einer zweiten Stahlgüte besteht, darüber hinaus können auch beide Bereiche aus ein und derselben Stahlgüte bestehen.
  • Bei der derartigen geschweißten oder mit unterschiedlichen Dicken gewalzten Platinen oder auch Bauteilen müssen jedoch einige Dinge beachtet werden. Bereiche mit unterschiedlichen Blechdicken heizen sich im Ofen unterschiedlich schnell auf. Daher werden derzeit nur Bleche in diesen Verfahren verwendet, bei denen die Blechdicke des dünneren und des dickeren Bereichs maximal um 1 mm differiert, wobei dies jedoch die absolute Obergrenze darstellt und üblicherweise in industriellen Prozessen maximal 0,5 mm realisiert werden. Diese Maßnahme dient im Wesentlichen dazu, bei Anlagenstörungen, d.h. bei längeren Ofenverweilzeiten (OVZ) keinen Ausschuss zu produzieren.
  • Hierbei beträgt die kleinste, d.h. dünnste industriell verwendete Blechdicke 1 mm, da ansonsten beim Transfer des erhitzten Bleches oder der erhitzten Baugruppe zur Abkühlpresse bei Dicken unter 1 mm bereits beim Transfer bzw. bevor die Presse vollständig geschlossen ist Gefügeumwandlungen stattfinden, die unbedingt vermieden werden müssen (hier insbesondere Ferritbildung).
  • Selbstverständlich können bei diesen Verfahren, die zuvor beschrieben wurden, alle möglichen Beschichtungen auf den Blechen vorhanden sein, insbesondere werden im direkten Verfahren, d.h. beim Presshärten, Aluminium-Silizium-Schichten verwendet und beim indirekten Verfahren Zink-Schichten. Typische Prozessfenster der Ofenverweilzeit (OVZ) sind in den beiden Verfahren etwa 200 Sekunden bei 900°C, wobei im direkten Verfahren der Blechdickenunterschied etwa 0,7 mm beträgt. Beim indirekten Verfahren und Zink-Beschichtungen beträgt der Unterschied üblicherweise maximal 0,5 mm.
  • Durch Verschweißen hergestellte Platinen werden als taylored welded blanks (TWB), durch Walzen mit unterschiedlichen Dicken ausgebildete Platinen als taylored rolled blanks (TRB) bezeichnet.
  • Bei geschweißten oder mit unterschiedlichen Dicken gewalzten Platinen oder Bauteilen, die im Presshärte- oder Formhärteverfahren verwendet werden, gibt es bezüglich der beschichteten Bleche (Aluminium-Silizium-Beschichtung oder Zink/Zink-Eisen-Beschichtung) zwei bestimmende Prozessfenster für den maximalen Blechdickensprung (4dick - 4dünn) bzw. die Mindestdicke des dünneren Schweißpartners (4dünn). Bei mehr als zwei Blechdicken innerhalb eines Bauteils ist dies entsprechend abgestuft zu betrachten.
  • Das erste der beiden bestimmenden Prozessfenster ist das Ofenprozessfenster (OFEN-PF), wobei sich dieses direkt auf den Ausschuss bei Anlagenstörungen auswirkt.
  • Hierbei gilt: OFEN-PF dick-dünn = OVZ MAX_dünn − OVZ MIN_dick
    Figure DE102017110864B3_0001
    • OVZMAX_dünn wird bestimmt vom Oberflächenzustand des dünnen Blechs
    • OVZMIN_dick wird bestimmt vom Austenitisierungszustand (Zink/Zink-Eisen-Beschichtung) bzw. von der Oberfläche (Aluminium-Silizium-Beschichtung) des dicken Blechs
  • Die Maximalzeiten werden beim Ofenprozess durch die Schicht bestimmt. Die Minimalzeiten bei einer Zink-Beschichtung werden durch die Zeit bestimmt, die für das vollständige Austenitisieren benötigt wird (das Zink reagiert mit dem Stahlsubstrat schneller als die Austenitisierung erreicht wird). Die Minimalzeit bei einer Aluminium-Silizium-Beschichtung wird durch die Reaktion mit dem Substrat bestimmt (das Strahlsubstrat heizt schneller auf die Austenitisierungstemperatur auf als das Aluminium-Silizium ausreichend mit dem Substrat reagiert).
  • Diese Prozessfenster bei beschichteten Stahlblechen gelten auch für den Fall, dass nichthärtbare Stähle als Substrat vorhanden sind.
  • Das zweite wichtige Prozessfenster bei der Verwendung von Blechen unterschiedlicher Dicke ist das Transferprozessfenster. Das Transferprozessfenster schränkt die minimal verwendbaren Blechdicken ein, denn beim Transfer des aufgeheizten Blechs oder der aufgeheizten Bauteile erfolgt an Luft eine Abkühlung mit der Gefahr der unerwünschten Fremdgefügebildung (z. B. Ferrit) in Abhängigkeit von der kritischen Abkühlgeschwindigkeit der Blechlegierung.
  • Einen direkten Einfluss hierauf haben die Blechtemperatur beim Verlassen des Ofens, die Geometrie, d.h. beim indirekten Verfahren die Geometrie des Bauteils und beim direkten Verfahren die Geometrie der Platine (die aber relativ einfach als eben anzunehmen ist).
  • Darüber hinaus ist die Transferzeit wichtig und darüber hinaus selbstverständlich die Blechdicke.
  • Die Temperatur, die das Bauteil oder die Platine beim Verlassen des Ofens haben kann, wird von der Oberfläche, die aufgebracht wurde (Aluminium-Silizium und Zink/Zink-Eisen) nach oben begrenzt. Die Geometrie ist gegeben und lässt sich selbstverständlich nicht auf das Transferprozessfenster abstimmen, wobei das indirekte Verfahren hier etwas unproblematischer ist, da durch die komplexe Geometrie solcher Bauteile die Wärme eher gehalten wird als bei ebenen Platinen.
  • Die Transferzeit der Bauteile oder Platinen lässt sich nicht beliebig verringern, insbesondere bei komplexen Teilen (indirekt) oder Platinen (direkt). Dies liegt daran, dass bestimmte Transferzeiten einfach durch Zentriervorgänge und die Manipulation mit entsprechenden Robotern bzw. Transfersystemen entstehen und nicht ohne weiteres verkürzbar sind. Zudem ist bekannt, dass ein zu heißes Einlegen der Platine oder des Bauteils in das Werkzeug Probleme mit Anhaftungen der metallischen Beschichtung im Werkzeug erzeugt. Hierdurch ist die Blechdicke zum Beispiel beim üblicherweise verwendeten Presshärten des Stahls 22MnB5 nach unten begrenzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlbauteile bzw. teilgehärteter Stahlbauteile mit unterschiedlichen Blechdicken zu schaffen, welches prozesssicherer gefahren werden kann, weniger Ausschuss produziert und eine höhere Variabilität bei den Bauteileigenschaften erlaubt.
  • Das Verfahren wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass die bisher möglichen Blechdickenunterschiede bei TRB oder TWB zur Erzielung bestimmter Eigenschaften noch nicht ausreichend sind. Gleichzeitig aber sichergestellt sein muss, dass bei einem großen Prozessfenster eine weitgehende Vermeidung von Ausschuss bei Anlagenstörungen möglich sein muss und dies sowohl beim indirekten als auch beim direkten Verfahren. Ferner haben die Erfinder erkannt, dass es notwendig ist, kleinere minimale Blechdicken ohne Fremdgefüge zu ermöglichen und insbesondere beides zu kombinieren.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine verbesserte Verfahrensweise dann möglich ist, wenn das dünnere Blech bezüglich der Aufheizung verzögert wird, wobei jedoch die Austenitisierung, so sie gewünscht ist, nicht verhindert wird. Dies bedeutet, dass verhindert wird, dass sich das dünnere Blech schneller aufheizt und dann schneller die hohe Temperatur erreicht und diese länger hält. Vielmehr soll erreicht werden, dass sich das dünne Blech in etwa genauso schnell aufheizt wie das dicke Blech und die gleiche Zeit auf der hohen Temperatur gehalten wird.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das dünnere Blech gegenüber der Wärmestrahlung sozusagen maskiert wird und als dickeres Blech erscheint. Dies wird dadurch erreicht, dass die fehlende Blechdicke durch geeignete Maßnahmen strahlungstechnisch dicker gemacht wird. Beispielsweise können auf dem Träger, auf dem das Blech durch den Ofen geführt wird, zusätzliche metallische Massen vorhanden sein, die die auf das Blechteil wirkende Wärmestrahlung teilweise aufnehmen, so dass die Aufheizung des dünnen Bereichs an den dicken Bereich angepasst ist. Diese Massen müssen dabei nicht an dem Blech anliegen, es reicht, wenn sie beabstandet von dem Blech angeordnet sind und von ihrer Ausdehnung und ihrer Masse bzw. Dicke so dimensioniert sind, dass sie für die einstrahlende Wärmestrahlung zusammen mit dem dünnen Blech eine aufzuheizende Masse ergeben, die der des dicken Bereichs entspricht. Dem entsprechend kann es sich um Edelstahl, Keramik oder andere Elemente handeln, die bezüglich ihrer Dicke so ausgebildet sind, dass die Dicke dieser Elemente zusammen mit der Blechdicke des dünneren Blechs zusammen eine Wärmeaufnahmekapazität ergeben, die der der dicken Blechbereiche entspricht. Selbstverständlich können diese Elemente gelocht, geschlossen oder in sonstiger Weise konturiert oder anders ausgebildet sein.
  • Idealerweise sind diese Elemente so dünn (da sie ja lediglich eine erhöhte Blechdicke simulieren) ausgebildet, dass sie nach dem Rücklauf des Ofenträgers von alleine wieder erkaltet sind bzw. thermisch stabil sind.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform fährt mit dem dünneren Bereich des Blechs beispielsweise eine Reflektorplatte mit durch den Ofen oder der dünnere Bereich einer Platine wird, insbesondere wenn er sich im Randbereich der Platine befindet, von einer Reflektorbox gegen direkte Wärmeeinstrahlung geschützt oder temporär geschützt, so dass eine zuverlässige Aufheizung jedoch in der gleichen Geschwindigkeit, wie die der dicken Teile erfolgt.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird nicht die schnelle Erwärmung des dünnen Blechteils verzögert, so dass beide Teile sich in etwa gleich schnell erwärmen, sondern die Aufheizzeit des dickeren Blechteils so beschleunigt, dass diese mit der Aufheizzeit der dünneren Blechdicke harmonisiert ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Emissionsgrad des dickeren Bereichs ein anderer ist als der Emissionsgrad des dünneren Bereichs. Bei einer Zink-Beschichtung ist dies in einfacher Weise dadurch möglich, dass der dickere Bereich eine Zink-Eisen-Beschichtung besitzt, während der dünnere Bereich eine Zink-Beschichtung (welche besser reflektiert) besitzt. Darüber hinaus kann der Emissionsgrad durch weitere Beschichtungen, insbesondere dunkle Beschichtungen, erhöht werden.
  • Darüber hinaus ist es möglich, die dickeren Bereiche durch anliegende Wärmeleitelemente oder zweidimensionale Strahler oder dreidimensionale Strahler (im indirekten Verfahren mit komplexen Formen) aufzuheizen.
  • Die vorgenannten Maßnahmen sind somit allesamt Maßnahmen, die es ermöglichen, dass die Aufheizrate des Bleches oder des Bauteils über die gesamte Blechausdehnung des Bauteils oder der Platine homogenisiert ist, unabhängig von der Blechdicke.
  • Um die Transferzeiten und die Auswirkung der Abkühlung während der Transferzeit zu entschärfen, sind erfindungsgemäß zusätzlich weitere Maßnahmen möglich.
  • Beispielsweise ist es möglich, insbesondere dann, wenn die Platine aus härtbaren Stahlblechen hergestellt wird, bei den dünneren Platinen- oder Bauteilbereich die Umwandlung stärker zu verzögern, als bei dem dickeren Bereich.
  • Es ist bekannt, dass die härtbaren Bor-Mangan-Stähle, insbesondere im Legierungsbereich der Bor-Mangan-Stähle, durch Änderung der Legierungszusammensetzung bezüglich der Umwandlung von Austenit in Martensit oder andere Stahlgefüge verzögert werden können. Ist daher der dünnere Teil der Platine oder der dünnere Teil des Bauteils stärker umwandlungsverzögert, ist die stärkere Abkühlung des dünneren Bauteils nicht schädlich für die nachfolgende Härtung. Hierbei muss angemerkt werden, dass die Umwandlungsverzögerung nicht extrem ausgeprägt zu sein braucht, weil ja lediglich wenige Sekunden an Zeit gewonnen werden müssen.
  • Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass das Verfahren zum Herstellen von gehärteten Blechbauteilen aus Blechen unterschiedlicher Blechdicke erheblich prozesssicherer wird, wobei durch das erfindungsgemäße Verfahren es ermöglicht wird, die Blechdickensprünge erheblich größer zu gestalten als bisher bekannt. Insbesondere bei der Herstellung von Seitenwandteilen für Kraftfahrzeuge hat sich dies als vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere sind nun Blechdickensprünge möglich von 0,8 bis 2,9 mm, d.h. eine Differenz von 2,1 mm bzw. insbesondere von 1,0 bis 2,3 mm, d.h. 1,3 mm Differenz.
  • Diese Blechdickensprünge können dabei gestuft oder ungestuft sein und insbesondere können auch mehrere Bleche mit unterschiedlichen Dicken zu einer Platine zusammengeschweißt sein.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen dabei:
    • 1 stark schematisiert die Anordnung eines Elements zur Erhöhung der Wärmestrahlenabsorption;
    • 2 stark schematisiert eine Reflektorbox;
    • 3 stark schematisiert Bleche unterschiedlicher Dicke mit unterschiedlichen Emissivitäten;
    • 4 einen 2D-Strahler an einer ebenen Platine bestrahlend den dickeren Platinenbereich;
    • 5 die Ofenverweilzeiten im Stand der Technik bei unterschiedlichen Blechdicken;
    • 6 unterschiedliche Blechdicken mit unterschiedlichen Ofenverweilzeiten und einem ausreichenden Prozessfenster;
    • 7 ein zu kleines Prozessfenster bei zu unterschiedlichen Blechdicken und unterschiedlichen Ofenverweilzeiten als nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel;
    • 8 die geänderten Ofenverweilzeiten bei verzögerter Aufheizung des dünneren Blechs oder beschleunigte Aufheizung des dickeren Blechs und dem resultierenden Prozessfenster erfindungsgemäß;
    • 9 ein nicht erfindungsgemäßes Prozessfenster bei unterschiedlichen Blechdicken und hierdurch Bildung von Fremdgefügte bei Transfer und Umformung;
    • 10 ein ZTU-Schaubild zu 9;
    • 11 ein erfindungsgemäßes Prozessfenster bei unterschiedlichen Blechdicken und einer Umwandlungsverzögerung des dünneren Blechs;
    • 12 die Verwendung eines umwandlungsverzögerten oder aufheizverzögerten dünneren Blechs und eines aufheizungsbeschleunigten dickeren Blechs, wobei das dünnere Blech umwandlungsverzögert ist mit der dazugehörigen Prozessfenstergröße;
    • 13 stark schematisiert den direkten Prozess;
    • 14 stark schematisiert den indirekten Prozess;
    • 15 der Verlauf der Blechtemperatur über die Ofenverweilzeit des dickeren Blechs gegenüber dem dünneren Blech (TEMP_t1) bei verzögerter Aufheizung des dünneren Blechs;
    • 16 die Blechtemperatur über der Ofenverweilzeit bei beschleunigter Aufheizung des dickeren Blechs beispielsweise durch eine dunklere Beschichtung;
    • 17 Blechtemperaturverlauf gegenüber der Ofenverweilzeit bei verzögertem Aufheizen des dünneren Blechs und beschleunigten Aufheizen des dünneren Blechs;
    • 18 die Blechtemperatur gegenüber der Ofenverweilzeit mit einer beschleunigten Aufheizung des dickeren Blechs beispielsweise durch einen Strahler im hinteren Ofenbereich;
    • 19 die Blechtemperatur gegenüber der Ofenverweilzeit mit einem beschleunigten Aufheizen des dickeren Blechs, z. B. durch einen Strahler im vorderen Ofen;
    • 20 die Blechtemperatur gegenüber der Ofenverweilzeit bei unterschiedlich dicken Blechen nach dem Stand der Technik.
  • Um eine erfindungsgemäß angepasste Aufheizrate und Spitzentemperatur einer Platine 1 aus zumindest einem dünneren Blechabschnitt 2 und zumindest einem dickeren Blechabschnitt 3 zu erzielen, ist es möglich, anliegend an dem dünneren Blechabschnitt 2 oder von diesem beabstandet eine zusätzliche Masse 4, insbesondere an einem Ofenträger 5 anzuordnen, so dass auf den dünneren Bereich 2 einwirkende Wärmestrahlung auch von dem Element 4 mitaufgenommen wird, so dass die Aufheizrate des dünneren Abschnitts 2 dem des dickeren Abschnitts 3 entspricht. Letztlich kann über das Element 4, insbesondere, wenn dieses direkt an dem dünneren Bereich 2 anliegt, sozusagen, die gleiche Blechdicke simuliert werden wie im dickeren Bereich 3. Insbesondere kann das Element 4 ebenfalls als Blech ausgebildet sein und im Bereich des dünneren Blechs 2 an diesem anliegend oder gering von diesem beabstandet die Blechdicke im dünneren Bereich 2 sozusagen an die Blechdicke im Bereich 3 anpassen.
  • Das Element 4 kann hierbei fest an dem Ofenträger angeordnet sein und kühlt beim Rückführen des Ofenträgers 5 zu einem Ofeneingang hin wieder auf eine Ausgangstemperatur ab.
  • Das Element 4 kann hierbei aus einem warmfesten Metall, einer Keramik und dergleichen ausgebildet sein, wobei die Dicke des Elements 4 einerseits von der Dicke des dünneren Bereichs 2 abhängt und von der Wärmekapazität des Elements 4.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (2) wird anstelle eines Elements 4 eine Box oder Umhüllung 6 um den dünneren Bereich 2 herum angeordnet, wobei die Reflektivität dieser Box 6 so ausgebildet ist, dass sie den dünneren Bereich 2 nicht vollständig von der Wärmestrahlung abschirmt, sondern so viel Wärmestrahlung zulässt, dass die Aufheizrate des dünneren Bereichs 2 dem des dickeren Bereichs 3 angeglichen ist. Hierzu kann die Box 6 aus einer porösen Keramik oder einem warmfesten Metall, insbesondere einem warmfesten Metall mit Durchbrechungen ausgebildet sein.
  • Die Box 6 kann ebenfalls am Ofenträger 5 angeordnet sein und kühlt dementsprechend auch beim Rückführen ab.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (3) ist der dünnere Bereich 2 mit einer metallischen Beschichtung ausgebildet, die eine geringere Emissivität als die metallische Beschichtung des dickeren Bereichs 3 besitzt. Insbesondere ist der dünnere Bereich beispielsweise mit einer Zinkbeschichtung (Z) und der dickere Bereich 3 mit einer Zinkeisenbeschichtung (ZF) ausgebildet.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird nicht auf den dünneren Bereich 2, sondern auf den dickeren Bereich 3 eingewirkt, wobei zur Beschleunigung der Aufheizung des Bereich 3 ein Wärmestrahler 7 vorhanden ist, der die Aufheizgeschwindigkeit des Bereichs 3 an den des dünneren Bereichs 2 anpasst.
  • In 5 sind unterschiedliche Blechdicken gezeigt, die miteinander im Stand der Technik kombiniert werden können, wobei hier drei unterschiedliche Blechdicken gezeigt sind und das Prozessfenster durch die maximale Ofenverweilzeit (OVZ max_1) des dünnsten Blechs und die minimalen Ofenverweilzeiten (OVZ min_2 und OVZ min_3) der jeweils dickeren Bleche bestimmt wird.
  • Hierbei ist schematisch angegeben, dass die maximale Ofenverweilzeit des dünnsten Blechs und die minimale Ofenverweilzeit des nächst dickeren Blechs in diesem Beispiel so ausreichend weit auseinander liegen, dass das Prozessfenster für eine gemeinsame Behandlung einer zusammengesetzten Platine aus diesen beiden Blechdicken ausreichen würde. Wird die Blechdicke des dickeren Blechs jedoch weiter erhöht, ergibt sich ein zu geringes Prozessfenster (PF3-1), so dass ein solcher Blechdickensprung im Stand der Technik nicht realisierbar ist.
  • In 6 ist noch einmal ein Blechdickensprung zwischen zwei Blechen unterschiedlicher Dicke gezeigt, bei dem die maximale Ofenverweilzeit des dünneren Blechpartners und die minimale Ofenverweilzeit des dickeren Blechpartners aufeinander abgestimmt sind und das Prozessfenster für einen industriellen Prozess ausreichend wäre.
  • In 7 ist noch einmal gezeigt, dass das Prozessfenster zwischen einem höheren Blechdickensprung entsprechend 5 nicht ausreichen würde.
  • Im Vergleich hierzu ist in 8 gezeigt, dass eine verzögerte Aufheizung des dünneren Blechs und/oder eine beschleunigte Aufheizung des dickeren Blechs zu einer Verbreiterung des Prozessfensters nach 7 führen würde, so dass hiermit erfindungsgemäß ein viel größerer Blechdickensprung als im Stand der Technik möglich ist.
  • Bei einem ausreichenden Prozessfenster gemäß 9 erkennt man, dass bestimmte Bereiche eines dünnen Blechs nicht erreichbar sind im Stand der Technik, da hier beim Transfer das dünnere Blech zu stark an Luft abkühlt, so dass dieses Blech während des Transfers bereits Ferrit bilden würde, was unerwünscht ist. Die entsprechenden Verläufe sind im ZDU-Schaubild gemäß 10 gezeigt.
  • Bei der erfindungsgemäßen zusätzlichen Umwandlungsverzögerung des dünneren Blechs kann gemäß 11 erfindungsgemäß in Bereiche vorgestoßen werden, in denen der dünnere Blechpartner deutlich dünner als bisher verwendet und insbesondere unter 1 mm dick ist. Bei einem ausreichend großen Prozessfenster ergibt sich hier die Möglichkeit deutlich dünnere Blechpartner zu verwenden.
  • Dies kann entsprechend 12 natürlich auch kombiniert werden, so dass ein dünneres Blech als im Stand der Technik durch die erfindungsgemäß eingesetzte Umwandlungsverzögerung verwendet wird und zudem die Aufheizung verzögert wird. Wird zudem noch die Aufheizung des dickeren Blechs gegebenenfalls beschleunigt, sind entsprechend 12 ganz erheblich größere Blechdickensprünge als bisher möglich.
  • In 13 ist das direkte Umformverfahren gezeigt, bei dem eine zusammengesetzte Platine aus zumindest einem dünneren Bereich 2 zumindest einem dickeren Bereich 3 in einem Ofen aufgeheizt wird, anschließend in eine Presshärtepresse transferiert wird und in dieser Presse gleichzeitig in einem Hub umgeformt und abschreckgehärtet wird.
  • Dem gegenüber wird beim indirekten Prozess (14) eine Platine aus zumindest einem dünneren Blech 2 und zumindest einem dickeren Blech 3 zu einem Bauteil 8 umgeformt und das fertig umgeformte Bauteil im Ofen erhitzt und anschließend in ein Formhärtewerkzeug 9 zum Zwecke des Formhärtens, d. h. des formstabilen Abschreckens und Härtens überführt.
  • Die vorgenannten Ausführungen betreffend eine ebene Platine und die unterschiedlichen Möglichkeiten, diese unterschiedlich aufzuheizen, insbesondere gemäß der 1 bis 4 sind selbstverständlich mit entsprechend geformten Ofenträgern, entsprechend geformten Elementen 4, Boxen 6 und Strahlern 7 ohne Weiteres auch für das indirekte Verfahren und dementsprechend hergestellte Bauteile 8 verwendbar.
  • Die zuvor beschriebenen Einflussnahmen auf die Angleichung der Aufheizraten sind auch aus den 15 bis 19 ersichtlich, bei denen die Temperaturverläufe gegenüber einem Temperaturverlauf ohne Einflussnahme in 20 durch die genannten Maßnahmen beeinflusst sind. Hierdurch werden die Ofenverweilzeiten und die Zieltemperaturen entsprechend angeglichen, wobei die Erwärmung des dünneren Blechs verzögert werden kann, beispielsweise durch die zusätzliche Masse 4 (15) oder ein Reflektorbox (2) oder durch eine geänderte metallische Beschichtung des dünneren Blechs (16, 3).
  • Auch die kombinierte Anwendung von einer verzögerten Aufheizung des dünneren Blechs und einer beschleunigten Aufheizung des dickeren Blechs gemäß 17 ist möglich, wobei eine Beschleunigung der Aufheizung des dickeren Blechs beispielsweise durch Strahler im hinteren Ofenbereich (18) oder im vorderen Ofenbereich (19) erfolgen kann.
  • Als beispielhafte Ausführungsmöglichkeit sind folgende Stahlblechzusammensetzungen geeignet:
  • Für die Erfindung sind insbesondere manganhältige Stähle dieser Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
    C Si Mn P S Al Cr Ti B N
    [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]
    0,20 0,18 2,01 0,0062 0,001 0,054 0,03 0,032 0,0030 0,0041
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
    wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.
  • Für die Erfindung sind auch Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
    Kohlenstoff (C) 0,08-0,6
    Mangan (Mn) 0,8-3,0
    Aluminium (Al) 0,01-0,07
    Silizium (Si) 0,01-0,5
    Chrom (Cr) 0,02-0,6
    Titan (Ti) 0,01-0,08
    Stickstoff (N) < 0,02
    Bor (B) 0,002-0,02
    Phosphor (P) < 0,01
    Schwefel (S) < 0,01
    Molybdän (Mo) < 1
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnungen wie folgt (alle Angaben in Masse-%):
    Kohlenstoff (C) 0,08-0,30
    Mangan (Mn) 1,00-3,00
    Aluminium (Al) 0,03-0,06
    Silizium (Si) 0,01-0,20
    Chrom (Cr) 0,02-0,3
    Titan (Ti) 0,03-0,04
    Stickstoff (N) < 0,007
    Bor (B) 0,002-0,006
    Phosphor (P) < 0,01
    Schwefel (S) < 0,01
    Molybdän (Mo) < 1
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Es sind auch sogenannten mikrolegierte Stähle möglich, ein beispielhaftes Legierungsfenster für diese mikrolegierte Stähle:
    Kohlenstoff (C) 0,02-0,12
    Mangan (Mn) 0,2-1,2
    Aluminium (AI) 0,01-0,07
    Silizium (Si) < 0,5
    Chrom (Cr) < 0,3
    Titan (Ti) + Niob (Nb) 0,01-0,15
    Stickstoff (N) < 0,02
    Bor (B) < 0,02
    Phosphor (P) < 0,01
    Schwefel (S) < 0,01
    Molybdän (Mo) < 1
  • Oder auch Dual Phase Typen (DP Stähle), beispielsweise:
    Kohlenstoff (C) 0,02-0,12
    Mangan (Mn) 0,5-2,0
    Aluminium (Al) 0,02 - 2,0
    Silizium (Si) < 0,5
    Chrom (Cr) < 1,5
    Titan (Ti) + Niob (Nb) 0,02-0,30
    Stickstoff (N) < 0,02
    Bor (B) < 0,02
    Phosphor (P) < 0,01
    Schwefel (S) < 0,01
    Molybdän (Mo) < 1
  • Hinsichtlich Materialpaarung sind bevorzugt Kombinationen aus manganhältigen Stählen (wie beispielsweise 22MnB5, 20MnB8) untereinander sowie Kombinationen aus manganhältigen Stählen (wie beispielsweise 22MnB5, 20MnB8) mit Mikrolegierungsblechen (wie beispielsweise H340LA, HX180Y) möglich.
  • Insbesondere sind folgende Materialpaarungen geeignet:
    Var. tdick tdünn
    1) 22MnB5 22MnB5
    2) 20MnB8 20MnB8
    3) 22MnB5 20MnB8
    4) 22MnB5 H340LA
    5) 20MnB8 H340LA
    6) 20MnB8 HX180Y
    7) H340LA H340LA
  • Das erfindungsgemäß gehärtete Stahlbauteil aus miteinander verschweißten Blechen unterschiedlicher Dicke und/oder Blechen, die mit unterschiedlichen Dicken gewalzt sind, kann press- oder formgehärtet werden, wobei das dadurch erzeugte Bauteil insbesondere ein Karosseriebauteil für Kraftfahrzeuge und insbesondere ein Strukturbauteil wie ein Seitenwandrahmen, eine A-, B- oder C-Säule, ein Längs- oder Querträger oder dergleichen ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Erzeugen gehärteter Stahlbauteile aus miteinander verschweißten Blechen (2, 3) unterschiedlicher Dicke und/oder Blechen, die mit unterschiedlichen Dicken gewalzt sind, wobei die zusammengeschweißten und/oder gewalzten Bleche umgeformt und erhitzt werden oder erhitzt und dann umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizgeschwindigkeiten eines Bereichs mit zumindest einem dünneren Blech (2) und eines Bereichs mit zumindest einem dickeren Blech (3) so angepasst werden, dass die gewünschte Zieltemperatur Ac3 der Platine oder des Bauteils von den Bereichen unterschiedliche Dicke zum im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Blechdickendifferenz zwischen Bereichen eines dünneren Blechs (2) und Bereichen eines dickeren Blechs (3) größer 0,5 mm, insbesondere größer 1 mm und insbesondere größer 2 mm ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Angleichen der Aufheizraten und/oder zur Erzielung der Zieltemperatur Ac3 zum im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt zwischen den dünneren Bereichen (2) und den dickeren Bereichen (3) an den dünneren Bereich oder im Bereich des dünneren Bereichs ein Element (4) angeordnet ist, welches so bemessen ist und so beschaffen ist, dass die Wärmekapazität des dünneren Bereichs (2) und des Elements (4) zusammen in etwa dem des dickeren Bereichs (3) entsprechen, sodass die mittleren Aufheizraten ebenfalls in etwa gleich sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Angleichen der Aufheizrate und/oder zur Erzielung der Zieltemperatur Ac3 zum im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt des dünneren Bereichs (2) und des dickeren Bereichs (3) auf den dickeren Bereich mit einer zusätzlichen Wärmequelle derart eingewirkt wird, dass der dickere Bereich eine mittlere Aufheizrate erreicht, die der des dünneren Bereichs in etwa entspricht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Angleichen der Aufheizraten der dünnere Bereich (2) mit geeigneten Mitteln (6) zumindest teilweise gegen Wärmestrahlung so abgeschirmt wird, dass die mittlere Aufheizrate des dünneren Bereichs (2) in etwa der des dickeren Bereichs entspricht.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech des dünneren Bereichs (2) umwandlungsverzögert ist und das Blech des dickeren Bereichs (3) nicht umwandlungsverzögert oder umwandlungsverzögert ist, sodass die Bleche mit unterschiedlichen Temperaturen abschreckgehärtet werden, jedoch durch das Abschreckhärten ein gleiches Gefüge erzielen, auch wenn die Bleche des dünneren Bereichs (2) und des dickeren Bereichs (3) beim Einlegen in das Abschreckwerkzeug unterschiedliche Temperaturen besitzen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Bereiche (2, 3) Beschichtungen mit unterschiedlichen Emissionsgraden besitzen, um die Wärmeaufnahme zu beeinflussen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ΔOVZAC3 ≤ 125s für Δd ≥ 0,5mm bevorzugt ΔOVZAc3 ≤ 90s für Δd ≥ 0,5mm weiter ΔOVZAc3 ≤ 60s für Δd ≥ 0,5mm weiter ΔOVZAc3 ≤ 30s für Δd ≥ 0,5mm, wobei ΔOVZAc3 = Zeitdifferenz zum Erreichen der Zieltemperatur der unterschiedlich dicken Bleche.
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