DE102017202294A1 - Process for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component - Google Patents
Process for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7) aus härtbarem Stahl mit einer Zugfestigkeit (Rm) größer als 1500 MPa, vorzugsweise >1650 bis 2250 MPa, in welchem Verfahren das Stahlfeinblech (6) in einem Wärmebehandlungsschritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, in einem daran anschließenden Einlegeschritt das Stahlfeinblech (6) mit einer Einlegetemperatur (ϑ) in ein Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, in einem Presshärteschritt das Stahlblechbauteil (7) warmumgeformt und zugleich bis auf eine Entnahmetemperatur (ϑ) abgekühlt wird, und in einem Entnahmeschritt das Stahlblechbauteil (7) mit der Entnahmetemperatur (ϑ) aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird. Erfindungsgemäß wird das Stahlblechbauteil (7) im Presshärteschritt bei geschlossenem Umformwerkzeug (3) bis auf eine Entnahmetemperatur (ϑ) abgekühlt, die in einem Temperaturbereich nahe der werkstoffspezifischen Martensit-Finish-Temperatur Mf liegt, bei der eine Umwandlung von Austenit zu Martensit zum größten Teil abgeschlossen ist, insbesondere in einem Temperaturbereich der Martensit-Finish-Temperatur Mf von +/- 10%.The invention relates to a method for producing a hot - worked and press - hardened steel sheet component (7) made of hardenable steel having a tensile strength (Rm) greater than 1500 MPa, preferably> 1650 to 2250 MPa, in which method the steel sheet (6) in a heat treatment step over the material-specific Austenitisierungtemperatur Ac3 is heat treated, in a subsequent insertion the steel sheet (6) is inserted with an insertion temperature (θ) in a forming tool (3), the steel sheet component (7) hot-formed in a press hardening step and at the same time cooled to a withdrawal temperature (θ) is removed, and in a removal step, the steel sheet member (7) with the removal temperature (θ) from the open forming tool (3) is removed. According to the invention, the steel sheet component (7) is cooled in the press-hardening step with closed forming tool (3) to a removal temperature (θ) which is in a temperature range close to the material-specific martensite finish temperature Mf, at which austenite to martensite transformation is for the most part is completed, in particular in a temperature range of the martensite finish temperature Mf of +/- 10%.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Das Stahlblechbauteil ist aus einem härtbaren Stahl mit einer Zugfestigkeit Rm größer als 1500 MPa, insbesondere >1650 MPa bis 2250 MPa hergestellt.The invention relates to a method for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component according to the preamble of claim 1. The sheet steel component is made of a hardenable steel having a tensile strength Rm greater than 1500 MPa, in particular> 1650 MPa to 2250 MPa.
Warmumformstähle, wie zum Beispiel 22MnB5, weisen nach dem Warmumformprozess ein nahezu vollständiges martensitisches Gefüge mit einer nominellen Zugfestigkeiten von 1500 MPa auf. Die Duktilität dieses Gefüges wird oft mit der Bruchdehnung gekennzeichnet. Diese liegt bei 22MnB5 in etwa zwischen 4 bis 6 %. Darüber hinaus wird der Biegewinkel in einem sogenannten Plättchenbiegeversuch nach VDA 238-100 als weiterer Kennwert zur Charakterisierung der Duktilität angegeben. Für zum Beispiel 22MnB5 sind Biegewinkel zwischen 50° und 65° zu erwarten. Aktuell werden Festigkeiten dieser Warmumformstähle durch zum Beispiel die Erhöhung des Kohlenstoffanteils weiter bis auf 2000 MPa gesteigert. Bei höheren Festigkeiten reagieren die Warmumformstahlbleche jedoch zunehmend empfindlicher, das heißt spröder, auf Belastungen. Bei Stahlfeinblechwerkstoffen (Blechdicke bei zum Beispiel 1,5 mm) mit Festigkeiten Rm größer als 1500 MPa ist deshalb oft eine nachträgliche zeitaufwendige Anlassbehandlung erforderlich, um die Sprödigkeit zu reduzieren. Eine solche zusätzliche Anlassbehandlung erhöht jedoch die Prozessdauer bei der Warmumformung und führt zu einem zusätzlichen Werkzeugeinsatz zur Durchführung der Anlassbehandlung.Hot-forming steels, such as 22MnB5, exhibit an almost complete martensitic structure with a nominal tensile strength of 1500 MPa after the hot-forming process. The ductility of this structure is often characterized by the elongation at break. This is approximately between 4 to 6% at 22MnB5. In addition, the bending angle is given in a so-called platelet bending test according to VDA 238-100 as a further characteristic value for characterizing the ductility. For example, for 22MnB5 bending angles between 50 ° and 65 ° are to be expected. Currently, strengths of these hot-forming steels are further increased by, for example, increasing the carbon content up to 2000 MPa. At higher strengths, however, the hot-formed steel sheets are increasingly sensitive, that is, more brittle, to stresses. In the case of steel sheet materials (sheet thickness of, for example, 1.5 mm) with strengths Rm greater than 1500 MPa, a subsequent time-consuming tempering treatment is often required to reduce the brittleness. However, such additional tempering treatment increases the process time during hot working and results in additional tooling for performing the tempering treatment.
Beispielhaft ist aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils bereitzustellen, bei dem die Duktilität von Stahlblechbauteilen bei höheren Festigkeiten Rm größer als 1500 MPa gesteigert wird, und zwar im Vergleich zum obigen Stand der Technik bei einer reduzierten Prozessdauer sowie bei reduziertem Werkzeugeinsatz.The object of the invention is to provide a method for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component in which the ductility of sheet steel components is increased at higher strengths Rm greater than 1500 MPa, compared to the above prior art at a reduced process time and in reduced use of tools.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 wird das Stahlblechbauteil im Presshärteschritt bei geschlossenem Umformwerkzeug bis auf eine Entnahmetemperatur abgekühlt, die in einem Temperaturbereich nahe der werkstoffspezifischen Martensit-Finish-Temperatur Mf liegt, und zwar insbesondere in einem Temperaturbereich der Martensit-Finish-Temperatur Mf +/- 10%. Ein solcher Temperaturbereich ist im Hinblick auf einen nachteiligen Stahlblechbauteil-Verzug nach dem Presshärteschritt unkritisch.According to the characterizing part of claim 1, the steel sheet member is cooled in the press-hardening step with the forming tool closed to a take-off temperature which is in a temperature range close to the material-specific martensite finish temperature Mf, specifically in a temperature range of the martensite finish temperature Mf + / - 10%. Such a temperature range is uncritical in view of disadvantageous sheet steel component distortion after the press hardening step.
Die Streckgrenze bzw. eine 0,2-%-Dehngrenze oder Elastizitätsgrenze des Stahlblechbauteils kann bei >1100MPa liegen, vorzugsweise 1250MPa bis 1950MPa.The yield strength or a 0.2% yield strength or elastic limit of the sheet steel component may be> 1100 MPa, preferably 1250 MPa to 1950 MPa.
Besonders bevorzugt ist eine Prozessführung, bei der die Entnahmetemperatur des Stahlblechbauteils um einen Temperaturversatz unterhalb der werkstoffspezifischen Martensit-Finish-Temperatur liegt. Im Entnahmeschritt wird daher das Stahlblechbauteil mit der Entnahmetemperatur unterhalb der Martensit-Finish-Temperatur entnommen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei der Stahlblechbauteil-Entnahme die Martensitbildung abgeschlossen ist, wodurch sich das Bauteil im weiteren Prozessverlauf nicht mehr aufgrund von Eigenspannungen verzieht, die ansonsten bei einer weiteren Umwandlung von Austenit zu Martensit erfolgen könnte.Particularly preferred is a process control in which the removal temperature of the sheet steel component is a temperature offset below the material-specific martensite finish temperature. In the removal step, therefore, the steel sheet component is removed with the removal temperature below the martensite finish temperature. In this way, it is ensured that the martensite formation is completed during the steel sheet component removal, whereby the component no longer warps in the further course of the process due to residual stresses that could otherwise occur in a further transformation of austenite to martensite.
Ein rein martensitisches Gefüge in dem Stahlblechbauteil führt zu einer hohen Stahlblechbauteil-Festigkeit, jedoch gleichzeitig zu einer Erhöhung der Sprödigkeit, so dass je nach Kohlenstoffgehalt nur eine geringfügige Verformung mit Bruchdehnungen üblicherweise kleiner als 7% ermöglicht ist. Die Bruchdehnung eines Stahlblechbauteils kann dagegen gesteigert werden, wenn im martensitischen Gefüge des Stahlblechbauteils ein Anteil von Restaustenit verbleibt, wie es auch aus der
Eine solche unvollständige Umwandung von Austenit zu Martensit wird erfindungsgemäß durch einen speziellen zeitlichen Verlauf der Abkühlung im Presshärteschritt bewerkstelligt. Bevorzugt kann der zeitliche Verlauf der Abkühlung einer Abkühlkurve folgen, bei der die Stahlblechbauteil-Temperatur von einem Schließzeitpunkt, zu dem das Umformwerkzeug geschlossen wird, bis zu einem Übergangszeitpunkt mit einer großen ersten Abkühlrate reduziert wird, insbesondere größer als 27°C/s, und bei der im weiteren Zeitverlauf nach dem Übergangszeitpunkt mit einer stark reduzierten zweiten Übergangs-Abkühlrate weiter abgekühlt wird, bis sich eine flache Abkühlgerade G mit einer Steigung, d.h. mit einer dritten Abkühlrate, einstellt. Die dritte Abkühlrate kann exemplarisch bei 15°C/s bis 3°C/s liegen. Dabei ist es im Hinblick auf die Gefügezusammensetzung bevorzugt, wenn die Stahlblechbauteil-Temperatur zum Übergangszeitpunkt (bzw. zu Beginn der Abkühlgerade G) um einen Temperaturversatz oberhalb der Martensit-Finish-Temperatur, jedoch unterhalb der werkstoffspezifischen Martensit-Start-Temperatur liegt, bei der eine Umwandlung von Austenit zu Martensit beginnt. Bei einer solchen Abkühlkurve wird einerseits gewährleistet, dass der Austenit nahezu vollständig in Martensit umgewandelt wird. Andererseits wird aufgrund der nach dem Übergangszeitpunkt stark reduzierten Abkühlrate eine langsame Abkühlung erzielt, mittels der die Bildung von Restaustenit unterstützt wird.Such an incomplete transformation of austenite to martensite is accomplished according to the invention by a specific time course of the cooling in the press hardening step. Preferably, the time course of the cooling can be followed by a cooling curve in which the steel sheet component temperature is reduced from a closing time, at which the forming tool is closed, to a transition time with a large first cooling rate, in particular greater than 27 ° C / s, and is further cooled in the further time after the transition time with a greatly reduced second transition cooling rate until a flat cooling line G with a slope, ie with a third cooling rate. By way of example, the third cooling rate may be 15 ° C / s to 3 ° C / s. It is preferred in terms of structural composition, if the sheet steel component temperature at the transition time (or at the beginning of the cooling line G) by a temperature offset above the martensite finish temperature, but below the material-specific martensite start temperature, in the a transformation from austenite to martensite begins. In such a cooling curve, on the one hand ensures that the austenite is almost completely converted into martensite. On the other hand, due to the greatly reduced cooling rate after the transition time, a slow cooling is achieved by means of which the formation of retained austenite is promoted.
Im Hinblick auf eine prozesstechnisch einfache Auslegung der oben beschriebenen Abkühlkurve ist es bevorzugt, wenn das Umformwerkzeug eine Heizeinrichtung aufweist, mit der die, dem Stahlblechbauteil zugewandte Werkzeugfläche aufheizbar oder temperierbar ist. In diesem Fall kann das Umformwerkzeug beim Presshärteschritt insbesondere auf eine Werkzeugtemperatur im Bereich von 100°C bis 250°C aufgeheizt werden, wodurch sich die Abkühlkurve im Presshärteschritt einfach einstellen lässt. Im weiteren Prozessverlauf nach der Entnahme aus dem Umformwerkzeug kann der Abkühlvorgang unterbrechungsfrei und kontinuierlich fortgesetzt werden, und zwar besonders bevorzugt mit einer vierten Abkühlrate, die der dritten Abkühlrate entspricht oder kleiner als diese ausgelegt ist, das heißt zum Beispiel bei 1°C/s bis 5°C/s liegt. Diese vierte Abkühlphase stellt somit ein Anlassen des Bauteils dar, um die Sprödigkeit weiter zu reduzieren.With regard to a process-technically simple design of the cooling curve described above, it is preferred if the forming tool has a heating device with which the, the steel sheet component facing tool surface is heated or tempered. In this case, the forming tool can be heated in the press hardening step, in particular to a tool temperature in the range of 100 ° C to 250 ° C, which can be easily set in the Abkühlkurve Presshärteschritt. In the further course of the process after removal from the forming tool, the cooling process can be continued without interruption and continuously, more preferably with a fourth cooling rate corresponding to or less than the third cooling rate, that is, for example, at 1 ° C./s to 5 ° C / s. This fourth cooling phase thus represents an annealing of the component in order to further reduce the brittleness.
Zur Fortsetzung des Abkühlvorgangs kann das Stahlblechbauteil nach dem Presshärteschritt in eine Ablagestation transferiert werden, in der der Abkühlvorgang durch Luftkühlung mit Umgebungsluft fortgesetzt wird.To continue the cooling process, the steel sheet component can be transferred after the press hardening step in a storage station in which the cooling process is continued by air cooling with ambient air.
Das obige Verfahren ist insbesondere auf ein Stahlfeinblechbauteil mit einer Blechdicke von beispielhaft 1,5 mm anwendbar, die einen Kohlenstoffgehalt C von größer als 0,25 Gew% aufweist, insbesondere >0,27Gew.% bis 0,40Gew. %. Zudem kann das Stahlfeinblech Legierungsbestandteile enthalten, die zu einer Austenitstabilisierung beitragen und dadurch zu einem Bauteilgefüge führen, in dem neben dem Martensit auch Restaustenit enthalten ist.The above method is particularly applicable to a steel sheet metal component having a sheet thickness of exemplarily 1.5 mm, which has a carbon content C of more than 0.25% by weight, in particular> 0.27% by weight to 0.40% by weight. %. In addition, the steel sheet may contain alloying constituents which contribute to austenite stabilization and thus lead to a component structure in which, in addition to the martensite, retained austenite is also contained.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren beschrieben.Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the figures.
Es zeigen:
-
1 eine Anlagenskizze, anhand der die in der2 angedeutete Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils veranschaulicht ist; -
2 in einem Blockschaltdiagramm die Prozessabfolge zur Herstellung des Stahlblechbauteils; und -
3 ein Diagramm, dass den zeitlichen Verlauf der Stahlblechbauteil-Temperatur beim Einlegen in das Umformwerkzeug und beim anschließenden Presshärten zeigt.
-
1 an investment sketch, on the basis of which in the2 indicated process sequence for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component is illustrated; -
2 in a block diagram the process sequence for the production of the sheet steel component; and -
3 a diagram showing the time course of the sheet steel component temperature when placed in the forming tool and the subsequent press hardening.
In der
Nachfolgend wird der Prozessverlauf während des Einlegeschritts, des Presshärteschritts und des Entnahmeschritts anhand dem Temperatur-Zeit-Diagramm der Figur
Mit Bezug auf die
So ist in der
Die in der
Im weiteren Prozessverlauf nach dem Presshärteschritt wird das Stahlblechbauteil
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- DurchlaufofenContinuous furnace
- 33
- Umformwerkzeugforming tool
- 55
- Ablagestationdeposit station
- 66
- StahlfeinblechSteel sheet
- 77
- StahlblechbauteilSheet steel component
- 99
- Heizeinheitheating unit
- t1 t 1
- EinlegezeitpunktOpen time point
- t2 t 2
- SchließzeitpunktClosing time
- t3 t 3
- ÜbergangszeitpunktTransition date
- t4 t 4
- EntnahmezeitpunktTaking time
- t5 t 5
- Zeitpunkt, zu dem die Stahlblechbauteil-Temperatur die Mf-Temperatur unterschreitetTime at which the steel sheet component temperature falls below the Mf temperature
- a1, a2, a3 a 1, a 2 , a 3
- a4 Abkühlratena 4 Cooling rates
- ϑ1 θ 1
- Einlegetemperaturinsertion temperature
- ϑ2 θ 2
- Schließtemperaturclosing temperature
- ϑ3 θ 3
- ÜbergangstemperaturTransition temperature
- ϑ4 θ 4
- Entnahmetemperaturremoval temperature
- Δtzu Δt too
- WerkzeugschließphaseMold closing phase
- ΔtH Δt H
- WerkzeughaltephaseTool holding phase
- Δtauf Δt on
- WerkzeugöffnungsphaseMold opening phase
- Δϑ1, Δϑ2 Δθ 1 , Δθ 2
- TemperaturversätzeTemperaturversätze
- GG
- AbkühlgeradeAbkühlgerade
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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