DE102021101267A1 - Verfahren zur Herstellung eines umgeformten Bauteils aus einer Stahlplatine und Verwendung eines solchen Bauteils - Google Patents

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Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Platine aus einem Stahl mit TRIP-Effekt bei Raumtemperatur bei dem die Platine zu einer vorbereiteten Platine mit gewünschten Abmessungen mechanisch getrennt wird, an der vorbereitetem Platine durch die mechanische Trennung Trennkanten erzeugt werden und die vorbereitete Platine mit den Trennkanten zu dem Bauteil bei Raumtemperatur kalt umgeformt wird, bereitzustellen, das sich durch eine kostengünstige Herstellung, eine verbesserte Umformbarkeit mit reduzierter Rissbildung der umgeformten Schnittkanten bei gleichzeitiger Verringerung der Umformkräfte auszeichnet, wird vorgeschlagen, dass bei einer Vorwärmtemperatur im Bereich von 60 bis 400 °C mechanisch getrennt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Stahlplatine mit TRIP-Effekt bei Raumtemperatur. Auch betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Bauteils. Vorzugsweise ist der Stahl ein mittelmanganhaltiger Stahl mit 4 bis 12 Gewichts-% Mn, vorzugsweise mehr als 5 bis weniger als 10 Gewichts-% Mn.
  • Unter Bauteil wird im Folgenden ein aus einer Stahlplatine durch Umformen mittels eines Umformwerkzeuges bei Raumtemperatur hergestelltes Bauteil verstanden. Die Stahlplatinen können unbeschichtet oder mit einem metallischen und/oder organischen Korrosionsschutzüberzug versehen sein.
  • Derartige Bauteile werden hauptsächlich im Karosseriebau verwendet, aber auch in der Hausgeräteindustrie, im Maschinenbau oder Bauwesen bieten sich Einsatzmöglichkeiten.
  • Der intensiv umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller, ständig nach Lösungen zur Senkung ihres Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer Beanspruchung im Betrieb wie auch im Crashfall.
  • Den notwendigen Werkstoffanforderungen versuchen die Vormateriallieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitstellung hoch- und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei der Fertigung und im Betrieb.
  • Diese Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer Verarbeitbarkeit, beispielsweise bei der Kaltumformung und beim Schweißen, genügen.
  • Zur Herstellung eines Bauteils wird üblicherweise zunächst eine Blechplatine aus einem Warm- oder Kaltband bei Raumtemperatur auf Maß geschnitten. Als Schneidverfahren kommen zumeist mechanische Trennverfahren, wie zum Beispiel das Abscheren oder Stanzen, Scherschneiden oder Besäumen, seltener aber auch thermische Trennverfahren, wie zum Beispiel das Laserschneiden, zur Anwendung.
  • Thermische Trennverfahren sind deutlich kostenintensiver im Vergleich zu mechanischen Trennverfahren, so dass diese nur in Ausnahmefällen eingesetzt werden. Nachfolgend wird nur auf mechanische Trennverfahren Bezug genommen.
  • Nach dem Zuschneiden wird die zugeschnittene Platine in ein Umformwerkzeug gelegt und in ein- oder mehrstufigen Umformschritten das fertige Bauteil, wie z.B. ein Fahrwerksträger, erzeugt.
  • Vor der Umformung der Stahlplatine werden fallweise diverse weitere Fertigungsschritte, wie zum Beispiel Stanz- und Schneidoperationen an der Platine und während der Umformung kombinierte Bördeloperationen an gelochten Abschnitten vorgenommen. Die genannten Operationen umfassen insbesondere Operation innerhalb des Platinenzuschnitts.
  • Nachfolgend werden die durch mechanische Trennverfahren erzeugten Kanten beziehungsweise Trennflächen als Trennkanten zusammengefasst.
  • Bei der Umformung werden die Trennkanten, insbesondere wenn sie auf- bzw. hochgestellt werden, z.B. bei Kragenoperationen in gelochten Platinen, besonders belastet.
  • An den Trennkanten können diverse Vorschädigungen vorliegen. Zum einen bedingt durch eine Kaltverfestigung des Werkstoffs, hervorgerufen durch das mechanische Trennen, das eine totale Umformung bis zur Materialtrennung darstellt. Zum anderen kann eine Kerbwirkung auftreten, welche durch die Topografie der Trennfläche entsteht.
  • Mittelmanganhaltige Stähle weisen ein mehrphasiges Gefüge mit Restaustenitanteilen auf. Weitere Phasenbestandteile können sowohl Ferrit, Bainit und Martensit, als auch angelassener Martensit sein. Der Restaustenitgehalt im Stahl wird durch eine Wärmebehandlung im Zweiphasengebiet durch interkritische Glühung eingestellt. Bei Raumtemperatur kann bei diesen Stählen eine verformungsinduzierte Zwillingsbildung (TWIP-Effekt) oder verformungsinduzierte Martensitbildung (TRIP-Effekt) eintreten. Der bei einer Umformung bei RT vorwiegend auftretende TRIP-Effekt bewirkt die Umwandlung von Austenit in Martensit, wodurch der Werkstoff verfestigt, die Umformkräfte sind entsprechend hoch. Neben der Verfestigung in Folge der Erhöhung der Versetzungsdichte tritt die Verfestigung aufgrund der Gefügeumwandlung von Austenit in Martensit auf. Der Martensitanteil vermindert gleichzeitig das verbleibende Restumformvermögen und die Resistenz gegen verzögerte Rissbildung durch Wasserstoff aufgrund der geringen Wasserstofflöslichkeit im Martensit gegenüber Austenit.
  • Das Schneiden und Stanzen von mittelmanganhaltigen Stählen bei Raumtemperatur führt zu einer mechanischen Beanspruchung der Trennkante, wodurch eine lokale spannungsinduzierte und/oder verformungsinduzierte Martensitbildung initiiert wird und kleine Anrisse in der Bandkante entstehen können. Der durch die mechanische Beanspruchung der Trennkante neu gebildete TRIP-Martensit, vermindert das Umformvermögen der Kanten, wodurch bei nachfolgenden Umformungen ein schlechteres Lochaufweitvermögen und geringere Kantenumformbarkeit allgemein erreicht werden. Des Weiteren kann bei Vorhandensein von Wasserstoff eine verstärkte wasserstoffinduzierte verzögerte Rissbildung bzw. Wasserstoffversprödung auftreten.
  • Gerade bei Werkstoffen mit TRIP-Effekt nicht nur aber auch bei Raumtemperatur tritt daher bei der anschließenden Umformung bei entsprechenden Temperaturen eine erhöhte Risswahrscheinlichkeit in den Randbereichen dieser Trennkanten auf.
  • Die genannten Vorschädigungen an den Trennkanten können zum vorzeitigen Versagen bei nachfolgenden Umformoperationen, beziehungsweise beim Betrieb der Komponente führen. Die Prüfung des Umformverhaltens geschnittener Blechkanten im Hinblick auf deren Kantenrissempfindlichkeit wird mit einem Lochaufweitversuch nach ISO 16630 durchgeführt.
  • Beim Lochaufweitversuch wird in das Blech durch Scherschneiden ein kreisrundes Loch eingebracht, das dann durch einen konischen Stempel aufgeweitet wird. Die Messgröße ist die auf den Ausgangsdurchmesser bezogene Änderung des Lochdurchmessers, bei der am Rand des Lochs der erste Riss durch das Blech auftritt.
  • Grundsätzlich ist es zur Verbesserung der Umformbarkeit mittelmanganhaltiger Stähle zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 117 494 A1 bekannt, den Umformschritt bei einer Temperatur des Stahlflachprodukts von 60 °C bis unterhalb Ac3, vorzugsweise von 60 °C bis 450 °C durchzuführen. Durch das Umformen mit Vorwärmung des Stahlflachprodukts vor dem ersten Umformschritt soll während des Umformvorgangs eine Umwandlung von metastabilem Austenit in Martensit (TRIP-Effekt) ganz oder teilweise unterdrückt werden, wobei sich im Austenit Verformungszwillinge (TWIP-Effekt) bilden können. Hierdurch soll eine Verfestigung vermieden und eine Reduktion der Umformkräfte erreicht, sowie dadurch das Gesamtumformvermögen erhöht werden. Das Stahlflachprodukt weist im Wesentlichen folgende chemische Zusammensetzung (in Gewichts-%) auf: C: 0,0005 bis 0,9, Mn: 4 bis 12, Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer stahlbegleitender Elemente. Diese Verfahrensweise ist allerdings zur Verbesserung der Umformbarkeit und Vermeidung der Rissproblematik an Trennkanten der Stahlplatine relativ kostenintensiv und logistisch aufwändig, da die Umformung unmittelbar an die Erwärmung der Stahlplatine für die Umformung gekoppelt ist.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Stahlplatine mit TRIP-Effekt bei Raumtemperatur und eine Verwendung hierfür zu schaffen, welches sich durch eine kostengünstige Herstellung, eine verbesserte Umformbarkeit mit reduzierter Rissbildung der umgeformten Trennkanten bei gleichzeitiger Verringerung der Umformkräfte auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem mittelmanganhaltigen Stahlflachprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für die Verwendung eines solchen Bauteils nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Platine aus einem Stahl mit TRIP-Effekt bei Raumtemperatur, bei dem die Platine zu einer vorbereiteten Platine mit gewünschten Abmessungen mechanisch getrennt wird, an der vorbereitetem Platine durch die mechanische Trennung Trennkanten erzeugt werden und die vorbereitete Platine mit den Trennkanten zu dem Bauteil bei Raumtemperatur kalt umgeformt wird, die Umformbarkeit der Schnittkanten bei einer Kaltumformung bei Raumtemperatur zwischen 5 °C bis 30 °C deutlich erhöht und eine Rissentstehung an den Trennkanten deutlich reduziert, indem bei einer Vorwärmtemperatur im Bereich von 60 bis 400°C mechanisch getrennt wird.
  • Das mechanische Trennen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Vorerwärmtemperatur im Bereich von 60 bis 400 °C hat den großen Vorteil, dass bei der nachfolgenden Umformung eine verformungsinduzierte Martensitbildung (TRIP-Effekt) an den Trennkanten vermieden wird.
  • Auch wird hierdurch eine Reduktion der Umformkräfte bei der Kaltumformung erreicht, sowie dadurch das Gesamtumformvermögen der Platine erhöht. Durch Entkopplung des Vorwärmschrittes beim mechanischen Trennen von der Umformung der Platine zu einem Bauteil, kann zudem eine wirtschaftlichere Herstellung des Bauteils erreicht werden, da jetzt eine Umformung der Platine bei Raumtemperatur erfolgen kann, also ohne vorhergehendes Erwärmen der gesamten Platine.
  • Auch kann das Umformvermögen der Trennkanten der Stahlplatine durch eine Anpassung der Prozesstemperatur signifikant verbessert werden.
  • Wesentlich ist also, dass der mechanische Trennvorgang, wie zum Beispiel Schneiden, bei einem auf Vorwärmtemperatur erwärmten Schnittbereich erfolgt, um eine Martensitbildung durch einen TRIP-Effekt beim Schneiden zu vermeiden.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird Raumtemperatur als im Bereich zwischen 5 bis 30 °C liegend definiert.
  • Die Kaltumformung bei Raumtemperatur zum Bauteil kann vorteilhaft in einem oder mehreren Schritten erfolgen.
  • In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass der Stahl ein mittelmanganhaltiger Stahl ist, mit 4 bis 12 Gewichts-% Mn, vorzugsweise mehr als 5 bis weniger als 10 Gewichts-% Mn.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorwärmtemperatur weniger als 250 °C beträgt, da bis zu dieser Temperatur ein TWIP-Effekt an den Trennkanten beim mechanischen Trennen erreicht wird. Oberhalb dieser Temperatur setzt kein TWIP-Effekt mehr ein, jedoch wird eine die Umformbarkeit der Trennkanten verschlechternde Martensitbildung (TRIP-Effekt) weiterhin vermieden. Ab 400 °C aufwärts kommt es zu einer Versprödung des Werkstoffs durch Blausprödigkeit und eine optional vorhandene Zinkauflage verflüssigt sich. Beides geht mir deutlich verschlechterten Eigenschaften des Materials einher.
  • Unter einer Kosten- Nutzen-Relation ist es besonders bevorzugt, wenn die Vorwärmtemperatur 100 bis 200 °C beträgt.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trennkanten auf Vorwärmtemperatur in einer im Schneid- oder Stanzwerkzeug angeordneten Erwärmvorrichtung erwärmt werden.
  • Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass die Trennkanten auf Vorwärmtemperatur in einer separaten Erwärmvorrichtung erwärmt werden.
  • Die Erwärmung der Trennkanten auf Vorwärmtemperatur kann dabei vorteilhaft induktiv, konduktiv oder über Strahlungswärme erfolgen.
  • Das aus einer solchen Stahlplatine durch Kaltumformung hergestellte Bauteil aus TRIP (TRansformation Induced Plasticity)- und/oder TWIP (TWinning Induced Plasticity)-Stahl weist eine hervorragende Kalt- und Halbwarmumformbarkeit, erhöhten Widerstand gegen wasserstoffinduzierte verzögerte Rissbildung (delayed fracture), gegen Wasserstoffversprödung (hydrogen embrittlement) nach der Umformung sowie gegen Flüssigmetallversprödung (LME) beim Schweißen auf.
  • Die guten Ergebnisse für die Umformbarkeit erfindungsgemäß hergestellter Trennkanten werden aus der im Anhang dargestellten 1 für Ergebnisse von Lochaufweitungstests nach ISO 16630 deutlich.
  • Für die Untersuchungen wurde ein TRIP-/TWIP-Stahl in Gewichts-% mit 0,14 C, 6 Mn, 0,15 Si und 1,2 Al, gewählt, der bei Raumtemperatur zwischen 5 bis 30 °C einen TRIP-Effekt aufweist. An einem Stahlblech wurden durch Stanzen bei unterschiedlichen Vorwärmtemperaturen Löcher erzeugt und diese im Zuge des Lochaufweitungsversuchs nach ISO 16630 bei unterschiedlichen Temperaturen aufgeweitet.
  • Die Probe A1 (hellgrau) wurde bei Raumtemperatur (25 °C) gestanzt und auch die Aufweitung mittels des Lochaufweitungsversuchs erfolgte bei Raumtemperatur (25 °C).
  • Die Probe A2 (dunkelgrau) wurde bei Raumtemperatur (25 °C) gestanzt und bei 150°C aufgeweitet.
  • Die Probe A3 (Schwarz) wurde bei 150 °C gestanzt und bei Raumtemperatur (25 °C) aufgeweitet.
  • Die Probe A4 (gepunktet) wurde bei 150 °C gestanzt und bei 150 °C aufgeweitet.
  • Deutlich erkennbar steigt der Lochaufweitungswert λ (Lambda) bei einer Vorwärmtemperatur der Stanzkante von 150 °C im Vergleich zum Stanzen bei Raumtemperatur von 25 °C an. Der Wert für die Probe A3 liegt mit λ = 31,8 % deutlich über dem Wert der Probe A1 von λ = 14,18.
  • Eine Umformung durch Lochaufweitung bei erhöhter Temperatur von 150 °C im Vergleich zu einer Umformung bei Raumtemperatur, bringt dagegen keine signifikante Verbesserung des Lochaufweitungsverhältnisses. Der Wert für die Probe A2 liegt mit λ = 16,92 % nur leicht über dem Wert von A1. Auch der Wert für die Probe A4 liegt mit λ = 35,40 % nur leicht über dem Wert von A3.
  • Zudem belegen die mittels Rasterelektronenmikroskopie erhaltenen Schliffbilder in den 2a (Probe A1, ohne Vorwärmung) und 2b (Probe A3, mit Vorwärmung) an den umgeformten Schnittkanten, dass deutlich weniger und kleinere Risse entstehen, wenn der Stanzvorgang an vorgewärmten Proben erfolgte.
  • In der 2a, die eine Rastermikroskopieaufnahme der umgeformten Probe A1 ohne vorerwärmte Trennkanten zeigt, sind sehr deutlich Risse als dunkle Linien an den konkav gebogenen Trennkanten ersichtlich.
  • In der 2b, die eine Rastermikroskopieaufnahme der umgeformten Probe A3 mit vorerwärmten Trennkanten zeigt, sind dagegen keine derart deutlichen Risse an den konkav gebogenen Trennkanten ersichtlich. Erfindungsgemäß bietet sich vorteilhaft eine Verwendung eines nach dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellten Bauteils im Kraftfahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Schiffsbau, Anlagenbau, Infrastrukturbau, in der Luft- und Raumfahrt, Hausgerätetechnik an.
  • 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 102016117494 A1 [0019]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Platine aus einem Stahl mit TRIP - Effekt bei Raumtemperatur, bei dem die Platine zu einer vorbereiteten Platine mit gewünschten Abmessungen mechanisch getrennt wird, an der vorbereitetem Platine durch die mechanische Trennung Trennkanten erzeugt werden und die vorbereitete Platine mit den Trennkanten zu dem Bauteil bei Raumtemperatur kalt umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vorwärmtemperatur im Bereich von 60 bis 400 °C mechanisch getrennt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein mittelmanganhaltiger Stahl ist mit 4 bis 12 Gewichts-% Mn, vorzugsweise mehr als 5 bis weniger als 10 Gewichts-% Mn.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur weniger als 250 °C beträgt.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur 100 bis 200 °C beträgt.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkanten auf Vorwärmtemperatur in einer im Schneid- oder Stanzwerkzeug angeordneten Erwärmvorrichtung erwärmt werden.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkanten auf Vorwärmtemperatur in einer separaten Erwärmvorrichtung erwärmt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkanten induktiv, konduktiv oder über Strahlungswärme erwärmt werden.
  8. Verwendung eines nach einem Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Bauteils im Kraftfahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Schiffsbau, Anlagenbau, Infrastrukturbau, Bergbau, in der Luft- und Raumfahrt, Hausgerätetechnik.
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