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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Das Stahblechbauteil ist aus einem härtbaren Stahl mit einer Zugfestigkeit Rm zwischen 800MPa und 1650MPa, bevorzugt zwischen 1000MPa und 1500MPa, hergestellt.
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Bei einem herkömmlichen Warmumformprozess wird zunächst ein Stahlfeinblech auf eine Prozesstemperatur oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur erwärmt. Unmittelbar anschließend erfolgt ein Einlegeschritt, bei dem das Stahlfeinblech mit einer Einlegetemperatur, die in etwa der Austenitisierungstemperatur entspricht, in ein Warmumformwerkzeug eingelegt und pressgehärtet wird. In diesem Fall wird daher im Presshärteschritt das Stahlfeinblech schlagartig bis auf eine Entnahmetemperatur abgekühlt (Quenching). In einem Vergütungsprozess (Quenching & Partitioning) erfolgt anschließend zum Beispiel im Umformwerkzeug eine zeitaufwändige Wärmebehandlung (Tempering bzw. Partitioning), um die Sprödigkeit zu reduzieren und um die Duktilität zu erhöhen. Eine solche zusätzliche Wärmebehandlung bzw. Anlassbehandlung in einem Werkzeug erhöht jedoch nachteilhaft die Prozessdauer bei der Warmumformung und führt zu einer hohen Werkzeugbeanspruchung.
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Warmumformstähle, wie zum Beispiel 22MnB5, weisen nach dem Warmumformprozess ein nahezu vollständiges martensitisches Gefüge mit einer nominellen Zugfestigkeit von 1500MPa 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 wird die Duktilität dieser Warmumformstähle durch zum Beispiel die Verringerung des Kohlenstoffanteils und/oder die Erhöhung des Restaustenitgehaltes gesteigert.
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Dabei nimmt in der Regel gleichzeitig die Festigkeit ab und das im Wesentlichen martensitische Gefüge bleibt dabei vergleichsweise spröde bei Zugbeanspruchung.
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Aus der
DE 10 2005 003 551 B4 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils bekannt, bei dem das Stahlfeinblech nicht unmittelbar nach der Austentitisierung mit nahezu der Austenitisierungstemperatur in das Warmumformwerkzeug eingelegt wird, sondern vielmehr nach der Austentitisierung zunächst eine rasche Abkühlung des Stahlfeinbleches auf eine Prozesstemperatur im Bereich von 400 bis 600°C erfolgt. Erst nach Erreichen dieses Temperaturbereiches wird der Presshärteschritt durchgeführt. Der Presshärteschritt erfolgt unter isothermen Bedingungen, wobei die Temperaturführung im Presshärteschritt so ausgelegt ist, dass sich im pressgehärteten Stahlfeinblech eine Gefügeumwandlung zu einem bainitischen Zwischenstufengefüge ergibt, und zwar ohne Bildung eines Perlit- und/oder Ferritgefüges. Durch eine solche Gefügeumwandlung zu einem Bainitgefüge (das heißt Zwischenstufengefüge) werden Eigenspannungen im pressgehärteten Stahlfeinblech vermindert und dessen Zähigkeit erhöht. Für eine im Wesentlichen vollständige Bainit-Umwandlung im Stahlfeinblech ist eine vergleichsweise lange Prozessdauer erforderlich.
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Das in der obigen
DE 10 2005 003 551 B4 offenbarte Verfahren führt beim Einsatz in einer Großserienproduktion zu folgender Problematik: In diesem Fall kann aus Kostengründen lediglich ein Umformwerkzeug in der oben dargelegten Prozessabfolge bereitgestellt sein, das zu vorgegebenen Taktzeiten (zum Beispiel 10 bis 20s) die Presshärteschritte durchführt. Um die jeweilige Taktzeit einzuhalten, ist die für die Bainit-Gefügeumwandlung bereitstellbare Haltephase im Umformwerkzeug zeitlich zu begrenzen. Bei einer solchen zeitlich begrenzten Haltephase im Umformwerkzeug ist jedoch eine im Wesentlichen vollständige Bainit-Gefügeumwandlung in das Zwischenstufengefüge nicht gewährleistet und besteht die Gefahr einer nur unvollständigen Bainit-Gefügeumwandlung. Bei einer nur unvollständigen Bainit-Gefügeumwandlung bildet sich aus dem Austenit, der nicht in Bainit umgewandelt worden ist, reines Martensit, das die Sprödigkeit des Stahlfeinblechs nachteilig erhöht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteiles bereitzustellen, bei dem die Duktilität des Stahlblechbauteiles bei höheren Festigkeiten Rm größer als 800MPa gesteigert wird, und zwar im Vergleich zum Stand der Technik bei einer reduzierten Prozessdauer sowie bei reduziertem Werkzeugeinsatz.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erfolgt zwischen dem Wärmebehandlungsschritt zur Austenitisierung des Stahlfeinbleches und dem Einlegeschritt, in dem das Stahlfeinblech zur Vorbereitung des Presshärteschrittes in das Umformwerkzeug eingelegt wird, ein Wärmebehandlungsschritt. Die Temperaturführung im Wärmebehandlungsschritt sowie dessen Zeitdauer sind derart ausgelegt, dass sich im Stahlfeinblech in einer im Wesentlichen vollständigen Gefügeumwandlung ein bainitisches Zwischenstufengefüge bildet, und zwar ohne Bildung eines Ferrit- und/oder Perlitgefüges. Nicht vollständig ausgebildeter Bainit kann bevorzugt als Sekundärphase in Form von Restaustenit vorliegen, um ggf. die Duktilität weiter zu verbessern. Die Temperaturführung im Wärmebehandlungsschritt erfolgt bevorzugt in einem Temperaturbereich oberhalb einer werkstoffspezifischen Martensit-Start-Temperatur Ms, um eine nachfolgende Warmumformung im Presshärteschritt zu gewährleisten, sowie unterhalb von 600°C, um die Bildung von Ferrit- und/oder Perlitgefüge im Stahlfeinblech zu vermeiden.
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Die Haltephase während des zweiten Wärmebehandlungsschrittes ist dabei so ausgelegt, dass im Stahlfeinblech eine im Wesentlichen vollständige Gefügeumwandlung zu dem bainitischen Zwischenstufengefüge erfolgt. Die Haltephase im zweiten Wärmebehandlungsschritt kann hierfür in einem Bereich zwischen 30 Sekunden und 120 Minuten liegen. Nach Abschluss des zweiten Wärmebehandlungsschrittes kann unmittelbar anschließend unverzüglich eine Abschreckhärtung während des Presshärteschrittes erfolgen, in der das gebildete Bainitgefüge im Stahlfeinblech „eingefroren“ wird. Der Presshärteschritt erfolgt in Abgrenzung zur obigen
DE 10 2005 003 551 B4 ohne eine isotherme Temperaturführung. Vielmehr kann erfindungsgemäß das Umformwerkzeug im Presshärteschritt mittels eines Kühlsystems aktiv gekühlt werden, um eine schlagartige Abkühlung bis auf eine Entnahmetemperatur zu erzielen, und zwar bevorzugt mit einem Temperaturgradienten, der kleiner als 27°C/s ist. Bei der erfindungsgemäßen Prozessführung ist eine im Vergleich zum Stand der Technik niedrige Entnahmetemperatur erzielbar, die bevorzugt unterhalb der Martensit-Finish-Temperatur Mf liegen kann und insbesondere kleiner als 200°C sein kann. Bei einer derart niedrigen Entnahmetemperatur kann ein Bauteilverzug bei der Entnahme aus dem Umformwerkzeug vermieden werden.
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Die Temperaturführung im erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsschritt kann mit einem beliebigen, geeigneten Zeit-Temperatur-Profil realisiert werden. Beispielhaft kann ein isothermer Verlauf der Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden.
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Alternativ dazu kann ein rampenförmig oder stufenartig fallender bzw. steigender Verlauf der Stahlfeinblech-Temperatur eingestellt werden. Von Relevanz ist es jedoch, dass mit Abschluss des Wärmebehandlungsschrittes die Temperatur des Stahlfeinbleches um einen ausreichend großen Temperaturversatz oberhalb der Martensit-Start-Temperatur Ms liegt, um im nachfolgenden Presshärteschritt noch eine einwandfreie Warmumformung zu gewährleisten. Der Temperaturversatz ist so zu bemessen, dass auch bei einem transferbedingten Temperaturverlust die Einlegetemperatur beim Start des Presshärteschritts größer als die Martensit-Start-Temperatur Ms ist.
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Wie oben erwähnt, weist die erfindungsgemäße Wärmebehandlung einen ersten Wärmebehandlungsschritt, in dem das Stahlfeinblech bis auf eine Prozesstemperatur oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 erwärmt wird, und den erfindungsgemäßen zweiten Wärmebehandlungsschritt auf, in dem die Temperatur des Stahlfeinbleches in einer Haltephase im Temperaturbereich zwischen der Martensit-Start-Temperatur und 600°C gehalten wird. Eine solche Prozessabfolge der Wärmebehandlungsschritte wird bevorzugt durch Bereitstellung eines ersten Ofens oder einer anderen geeigneten Erwärmungsvorrichtung sowie eines prozesstechnisch nachgeschalteten zweiten Ofens realisiert. Im ersten Ofen erfolgt die herkömmliche Austenitisierung des Stahlfeinbleches bis auf eine Temperatur oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur. Anschließend wird das Stahlfeinblech in einer Transferphase vom ersten Ofen in den zweiten Ofen transferiert, in dem der zweite Wärmebehandlungsschritt erfolgt.
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Von daher kann die erfindungsgemäße Wärmebehandlung somit neben dem ersten und zweiten Wärmebehandlungsschritt die zwischengeordnete Transferphase umfassen. In einer besonderen Ausführungsvariante kann in der zwischengeordneten Transferphase eine Zwischenkühlung des Stahlfeinbleches bis auf eine Zwischentemperatur erfolgen. Diese bildet die Starttemperatur für die zweite Wärmebehandlungsphase im zweiten Ofen und kann um einen Temperaturversatz größer sein als die Martensit-Start-Temperatur Ms. Bevorzugt ist es, wenn die Zwischenkühlung in der Transferphase zum zweiten Ofen derart rasch erfolgt, dass weder das Ferrit- noch das Perlitgebiet erreicht wird. In einer technischen Realisierung kann die Zwischenkühlung daher in einer kurzen Kühlphase von weniger als 30 Sekunden erfolgen, in der das Stahlfeinblech von der Austenitisierungstemperatur auf den Temperaturbereich zwischen der Martensit-Start-Temperatur Ms und 600°C abgekühlt wird. Eine solche beschleunigte Abkühlung kann zum Beispiel mit Hilfe einer freien Umgebungsluft-Kühlung oder mittels Druckluft durchgeführt werden.
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Bei der Anwendung der Erfindung in einer Großserienproduktion kann der erste Ofen als ein Durchlaufofen und der zweite Ofen als ein Batchofen realisiert sein, in dem eine Anzahl von im Durchlaufofen vorbehandelten Stahlfeinblechen bis zum Ablauf der Wärmebehandlungsphase zwischengespeichert werden können. Die Zwischenspeicherung der Stahlfeinbleche im Batchofen kann daher zeitlich unabhängig von den Taktzeiten des Umformwerkzeugs erfolgen.
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Die Austenitisierungszeit kann infolge des zusätzlichen nachgelagerten Wärmebehandlungsschrittes wesentlich kürzer sein und die ggf. erforderliche Ausbildung der Beschichtung (zum Beispiel Aluminium-Silizium) dann bei niedrigeren Temperaturen im zweiten Ofen erfolgen. Eine kürzere Austenitisierungszeit begrenzt auch das Kornwachstum, was sich im Allgemeinen positiv auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften auswirkt.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Anlagenskizze, anhand der die in der 2 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, das den zeitlichen Verlauf der Stahlfeinblech-Temperatur bei der in der 1 und 2 angedeuteten Prozessabfolge zeigt.
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In der 1 ist grob schematisch eine Anlage skizziert, anhand der zunächst die grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils 7 erläutert ist. Die Anlage weist beispielhaft einen Durchlaufofen 1, einen etwa als Batchofen realisierten Wärmebehandlungsofen 2, ein Umformwerkzeug 3 zur Warmumformung und Presshärtung von Stahlblechbauteilen 7 sowie eine Ablagestation 5 auf, in der die hergestellten Stahlblechbauteile 7 gelagert werden. Zunächst wird ein Stahlfeinblech 6 aus einem härtbaren Stahl in den Durchlaufofen 1 transferiert und dort in einem ersten Wärmebehandlungsschritt auf eine Prozesstemperatur ϑ1 (3) oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 des eingesetzten Stahls erwärmt, die beispielhaft bei 930°C liegen kann.
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Das so erwärmte Stahlfeinblech 6 wird im Heißzustand in den Wärmebehandlungsofen 2 transferiert und dort bei einer Zwischentemperatur ϑ2 (3) einem später beschriebenen zweiten Wärmebehandlungsschritt unterzogen. Anschließend wird das derart wärmebehandelte Stahlfeinblech 6 in das Umformwerkzeug 3 transferiert und dort in einem Presshärteschritt zu dem Stahlblechbauteil 7 warmumgeformt und zugleich bis auf eine Entnahmetemperatur ϑ3 (3) abgeschreckt. In der 1 weist das Umformwerkzeug 3 zudem eine nur angedeutete Kühleinheit 9 auf, um das Umformwerkzeug 3 während des Presshärteschrittes aktiv zu kühlen.
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Wie aus der 2 hervorgeht, sind in der Wärmebehandlung des Stahlfeinbleches 6 neben den ersten und dem zweiten Wärmebehandlungsschritt eine Transferphase Δt2 eingebunden, in der das Stahlfeinblech 6 in den Batchofen 2 transferiert wird. Nach Abschluss des zweiten Wärmebehandlungsschrittes im Batchofen 2 wird das wärmebehandelte Stahlfeinblech 6 in einem Einlegeschritt sowie mit einer Einlegetemperatur in das Umformwerkzeug 3 eingelegt, und erfolgt in einer Werkzeughaltephase der Presshärteschritt, das heißt die Warmumformung mit gleichzeitiger Abkühlung des Stahlfeinbleches 6.
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Wie aus der 3 hervorgeht, wird in einer ersten Wärmebehandlungsphase Δt1 zunächst in gängiger Praxis der erste Wärmebehandlungsschritt im Durchlaufofen 1 durchgeführt, bei der das Stahlfeinblech 6 bis über die Austenitisierungstemperatur Ac3 erwärmt wird. Anschließend folgt die Transferphase Δt2 , in der das Stahlfeinblech 6 vom Durchlaufofen 1 in den Batchofen 2 transferiert wird. In der Transferphase Δt2 wird eine Zwischenkühlung durchgeführt, in der das Stahlfeinblech 6 bis auf die Zwischentemperatur ϑ2 abkühlt. Diese ist um einen Temperaturversatz Δϑ1 größer ist als die Martensit-Start-Temperatur Ms und bildet zugleich auch die Starttemperatur für die zweite Wärmebehandlungsphase im Batchofen 2. Die Zwischenkühlung in der Transferphase Δt2 wird derart rasch durchgeführt, dass weder das Ferritgebiet F noch das Perlitgebiet P (in dem Diagramm der 3 eingezeichnet) erreicht werden. Bevorzugt kann die Zwischenkühlung in einer Zeitphase von weniger als 30 Sekunden erfolgen, und zwar insbesondere mit Hilfe einer Umgebungsluft-Kühlung oder mit Hilfe von Druckluft.
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Die nach der Transferphase Δt2 folgende zweite Wärmebehandlungsphase Δt3 kann beispielhaft zwischen 30 Sekunden und 120 Minuten andauern. In der 3 erfolgt beispielhaft im Batchofen 2 eine isotherme Wärmebehandlung bei der Temperatur ϑ2 , die hier in einem Bereich zwischen 450 und 500°C liegen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche isotherme Temperaturführung begrenzt. Vielmehr können auch andere geeignete Temperatur-Zeit-Profile angewendet werden. Entscheidend ist, dass sich eine im Wesentlichen vollständige Gefügeumwandlung im Stahlfeinblech 6 in ein bainitisches Zwischenstufengefüge ergibt, und zwar ohne Bildung von Ferrit- und/oder Perlitgefüge. Alternativ kann bevorzugt die Sekundärphase Restaustenit zusätzlich gebildet werden, indem die Bainitisierung vorzeitig beendet wird.
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Nach Abschluss der zweiten Wärmebehandlungsphase Δt3 erfolgt unverzüglich der Presshärteschritt mit einer schlagartigen Abkühlung bis auf die Entnahmetemperatur ϑ3 , und zwar insbesondere mit einer Abkühlrate a, der kleiner als 27°C/s ist. Eine solche Abkühlung wird mittels des vollgekühlten Umformwerkzeugs 3 gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchlaufofen
- 2
- Batchofen
- 3
- Umformwerkzeug
- 5
- Ablagestation
- 7
- Stahlblechbauteil
- 9
- Kühlsystem
- a
- Abkühlrate
- ϑ1
- Stahlfeinblech-Temperatur im Durchlaufofen
- ϑ2
- Stahlfeinblech-Temperatur im Batchofen bzw. Zwischentemperatur
- ϑ3
- Entnahmetemperatur
- Δϑ1, Δϑ2
- Temperaturversatz
- F
- Ferritgebiet
- P
- Perlitgebiet
- B
- Bainitgebiet
- Δt1
- ersten Wärmebehandlungsphase
- Δt2
- Transferphase
- Δt3
- zweite Wärmebehandlungsphase
- Δt4
- Presshärtephase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005003551 B4 [0005, 0006, 0010]
