-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Prozessanordnung nach Anspruch 9.
-
In einem herkömmlichen Warmumformprozess wird zunächst in einem Austenitisierungsschritt eine noch ungehärtete, mit einer AlSi-Beschichtungsauflage beschichtete Platine bis auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur erwärmt. Anschließend erfolgt ein Einlageschritt, bei dem die Platine im Heißzustand in ein Umformwerkzeug eingelegt wird. In einem anschließenden Presshärteschritt wird die in das Umformwerkzeug eingelegte Platine warmumgeformt und pressgehärtet, wodurch das Stahlblechbauteil gebildet wird. Das Stahlblechbauteil wird mit einer Entnahmetemperatur aus dem Umformwerkzeug entnommen und in eine Nachbearbeitungsstation oder in eine Ablagestation transferiert.
-
In einem gattungsgemäßen Warmumformprozess wird die Platine mit sehr hoher Einlagetemperatur in das Umformwerkzeug eingelegt. Dadurch ergibt sich eine entsprechend lange Werkzeug-Zuhaltezeitdauer bis die vordefinierte Entnahmetemperatur erreicht ist, bei der eine ausreichende Bauteil-Maßhaltigkeit sowie ein geringer Bauteilverzug gewährleistet ist. Die lange Werkzeug-Zuhaltezeitdauer führt bei einem, in einer Serienfertigung eingebundenen Warmumformprozess zu einer entsprechend hohen Taktzeit.
-
Eine zwischen dem Wärmebehandlungsschritt und dem Einlageschritt erfolgende Vorkühlung ist im herkömmlichen Warmumformprozess aus folgenden Gründen problematisch: So ist in einem herkömmlichen Warmumformprozess die Platine aus einem Stahlsubstrat mit einer Werkstoffgüte gebildet, die nur ein vergleichsweise geringes Austenitgebiet bereitstellt. Es besteht daher die Problematik, dass die Vorkühlung mit einer sehr großen Abkühlrate erfolgen muss, um eine nachteilige Phasenumwandlung, das heißt eine Bildung von Perlit- und/oder Ferritgefügen, zu vermeiden. Eine solche sehr große Abkühlgeschwindigkeit ist jedoch fertigungstechnisch nur sehr aufwendig realisierbar.
-
Aus der
DE 10 2016 124 539 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen lokal gehärteter Stahlblechbauteile bekannt. Aus der
DE 11 2019 003 814 T5 ist ein Verfahren zur Herstellung korrosionsbeständiger Heißprägeteile bekannt. Aus der
DE 10 2018 206 343 A1 ist ein Verfahren zur Serienfertigung warmumgeformter Blechformteile aus einem Stahlblechband bekannt.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils bereitzustellen, bei dem eine Taktzeit reduzierbar ist und/oder dass gebildete Stahlblechbauteil im Vergleich zum Stand der Technik bis zu einem größeren Umformgrad beschädigungsfrei umformbar ist.
-
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
-
Die Erfindung geht von einem Warmumformprozess aus, bei dem als Vormaterial eine mit einer aluminiumbasierten Beschichtungsauflage beschichtete Platine verwendet wird. Die aluminiumbasierte Beschichtung kann in einem Schmelztauch-Prozessschritt erfolgen, bei dem ein Stahlsubstrat-Band in ein Schmelztauchbad mit der Beschichtungsauflage beschichtet wird. In einem anschließenden Platinenbeschnitt wird das beschichtete Stahlsubstrat-Band zu einer Platine geschnitten. Diese wird dem Warmumformprozess zugeführt.
-
Im Warmumformprozess erfolgt zunächst ein Austenitisierungsschritt, bei dem die noch ungehärtete, mit der AlSi-Beschichtungsauflage beschichtete Platine bis auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Anschließend wird die Platine im Heißzustand in ein Umformwerkzeug eingelegt, um einen Presshärteschritt durchzuführen. Im Presshärteschritt wird die Platine warmumgeformt und pressgehärtet, wodurch das Stahlblechbauteil entsteht. Beim Austenitisierungsschritt erfolgt neben der Austenitisierung eine Schichtausbildung der aluminiumbasierten Beschichtungsauflage.
-
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erfolgt zwischen dem Austenitisierungsschritt und dem Einlageschritt ein Temperierschritt. Im Temperierschritt wird zumindest eine partielle Vorkühlung oder eine vollständige Vorkühlung der Platine bis auf eine Vorkühltemperatur durchgeführt. Um während der Vorkühlung eine nachteilige Phasenumwandlung in Richtung weiches Gefüge, das heißt Perlit oder Ferrit, zu vermeiden, ist das Platinen-Stahlsubstrat zumindest teilweise mit umwandlungsverzögerter Werkstoffgüte ausgebildet, deren Austenitgebiet durch Zugabe von Austenitbildnern erweitert ist. Auf diese Weise kann der Presshärteschritt mit einer im Vergleich zum Stand der Technik deutlich geringeren Abkühlrate erfolgen. Gleichzeitig ist eine weitgehende Phasenumwandlungsfreiheit in Richtung Perlit oder Ferrit gewährleistet. Insbesondere dickere Bauteilbereiche (etwa TRB/TWB/Patch) kommen für eine umwandlungsverzögerte Güte in Frage.
-
Durch die Vorkühlung im Temperierschritt kann die Werkzeug-Zuhaltezeit im Presshärteschritt bis Erreichen der Entnahmetemperatur reduziert werden. Dadurch verringert sich bei einem in einer Serienfertigung eingebundenen Warmumformprozess fertigungstechnisch vorteilhaft die Taktzeit. Zudem sind durch Erweitern des Austenitgebiets geringere (mittlere) Abkühlraten im Gesamtprozess realisierbar. Das heißt, dass das Platinen-Stahlsubstrat einen derart hohen Austenitbildner-Anteil aufweist, dass die Vorkühlung vollständig im Austenitgebiet erfolgt und eine Gefügeumwandlung, insbesondere die Bildung von Perlit- und/oder Ferritgefügen, im Vorfeld zum Presshärteschritt verhindert ist.
-
Das Platinen-Stahlsubstrat kann als Austenitbildner beispielhaft Nickel, Kobalt, Stickstoff, Kohlenstoff oder Chrom aufweisen, bevorzugt enthält jedoch das Stahlsubstrat als Austenitbildner Mangan. Im Hinblick auf ein ausreichend erweitertes Austenitgebiet hat sich ein Mangan-Anteil im Stahlsubstrat von größer als 1,5 wt% sowie kleiner als 3 wt% als günstig erwiesen. In einem solchen Fall kann die werkstoffspezifische Martensit-Finish-Temperatur Mf in einem Bereich größer als 240°C, insbesondere größer als 260°C liegen. Die Martensit-Finish-Temperatur ist somit größer bemessen als bei herkömmlichen Stahlsorten (zum Beispiel 22 MnB5).
-
Um eine reduzierte Werkzeug-Zuhaltezeit im Presshärteschritt zu erzielen und/oder um eine Phasenumwandlung während der Vorkühlung zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die Vorkühlung bei einer Vorkühltemperatur der Platine abschließt, die kleiner als 700°C, bevorzugt kleiner als 650°C ist. Insbesondere kann die Vorkühltemperatur in einem Bereich kleiner als 600°C und größer als 400°C liegen. In Hinblick auf einen einwandfreien Warmumformprozess kann die Vorkühltemperatur größer bemessen sein als die Martensit-Start-Temperatur, die beispielhaft in einem Bereich von 400°C liegen kann.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass durch den vergleichsweise hohen Austenitbildner-Anteil eine Phasenumwandlungsfreiheit (in Richtung Perlit und/oder Ferrit) bereits bei deutlich geringerer Abkühlrate im Presshärteschritt erzielbar ist. Bevorzugt kann die Abkühlrate im Presshärteschritt kleiner als 20°C/s besonders bevorzugt kleiner als 15°C/s sein.
-
Beispielhaft kann die Vorkühlung durch eine erzwungene Konvektion, durch Kontaktplatten oder besonders bevorzugt durch thermischen Printprozess bzw. durch Tailored Tempering erzielt werden.
-
Durch die Vorkühlung erhöht sich die Fließspannung im vorgekühlten Platinenbereich im Vergleich zum nicht-vorgekühlten Platinenbereich. Die Ursache für die Erhöhung der Fließspannung liegt primär in der lokal verringerten Umformtemperatur durch Vorkühlung. Die im vorgekühlten Platinenbereich erhöhte Fließspannung steht einem Necking, einer Einschnürung beziehungsweise einem lokalen Versagen entgegen, so dass sich ein potentiell höherer Umformgrad ergibt.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist der Temperierschritt aufgeteilt in einen Vorkühl-Teilschritt und in einen anschließenden Wärmebehandlungs-Teilschritt. Im Vorkühl-Teilschritt wird eine partielle Vorkühlung der Platine durchgeführt. Im anschließenden Wärmebehandlungs-Teilschritt wird sowohl der vorgekühlte Platinenbereich als auch der nicht vorgekühlte Platinenbereich erwärmt. Insbesondere erfolgt im Wärmebehandlungs-Teilschritt ein partielles Austenitisieren, bei dem der nicht vorgekühlte Platinenbereich wieder bis auf über die Austenitisierungstemperatur erwärmt wird.
-
Die Vorkühlung kann bevorzugt durch Beaufschlagung von Druckluft realisiert werden. In diesem Fall kann die Vorkühlung ohne Schutzgas sowie ohne Atmosphärenregelung, das heißt sauerstoffreich, durchgeführt werden. Mittels der aluminiumbasierten Beschichtungsauflage kann eine Zunderbildung während der Vorkühlung prozesssicher vermieden werden.
-
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
-
Es zeigen:
- 1 eine Anlagenskizze, anhand der eine Prozessabfolge zur Herstellung des warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils veranschaulicht ist;
- 2 ein Zeit-Temperatur-Profil, das den zeitlichen Temperaturverlauf in der Platine während des Warmumformprozesses zeigt;
- 3 und 4 in Ansichten entsprechend der 1 und 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.
-
Nachfolgend wird anhand der 1 eine Prozessroute zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils 1 beschrieben: Demzufolge wird ein noch unbeschichtetes Stahlsubstrat-Band 3 als Coil bereitgestellt. Das noch unbeschichtete Stahlsubstrat-Band 3 ist zum Beispiel ein Warm- oder Kaltband, wobei das Stahlsubstrat bevorzugt 20MnB8 ist.
-
Das noch unbeschichtete Stahlsubstrat-Band 3 wird einem Schmelztauch-Prozess S zugeführt, bei dem es in einer Wickelstation in einer Fertigungsrichtung abgewickelt wird und durch ein Schmelztauchbad 5 gefördert wird. Das Schmelztauchbad 5 weist eine Aluminium-Schmelze mit Silizium-Anteil auf. In dem Schmelztauchbad 5 wird das Stahlsubstrat-Band 3 beidseitig mit einer AlSi-Beschichtungsauflage beschichtet. Nach erfolgter Beschichtung wird das Stahlsubstrat-Band 3 in einer weiteren Wickelstation wieder zum einem Coil aufgewickelt. Das Coil mit dem beschichteten Stahlsubstrat-Band 3 wird zu einer, der Warmumformanlage vorgelagerten Platinenschneidanlage P transportiert, in der ein Platinenschnitt stattfindet. Die in der Platinenschneidanlage P hergestellten Platinen 7 werden auf einem Platinenstapel 9 gestapelt und von dort dem Warmumformprozess zugeführt. Die Platine 7 kann eine Blechdicke im Bereich von 0,7 mm bis 4,0 mm aufweisen.
-
Wie aus der 1 weiter hervorgeht, besteht die Warmumformanlage, in Fertigungsrichtung F betrachtet, aus einem Rollenherdofen 11 als Wärmebehandlungseinrichtung, einem Umformwerkzeug 13 zur Warmumformung und Presshärtung sowie einer Ablagestation 15. Im Warmumformprozess erfolgt gemäß der 2 zunächst ein Austenitisierungsschritt ΔtA,. Im Austenitisierungsschritt ΔtA, wird die noch ungehärtete, mit der AlSi-Beschichtungsauflage beschichtete Platine 7 bis auf eine Prozesstemperatur oberhalb der werkstoffspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 erwärmt. Die Prozesstemperatur im Rollenherdofen 11 ist zum Beispiel größer als 880°C sowie blechdickenabhängig.
-
Der Rollenherdofen 11 ist auslaufseitig mit einer Ofenzone 17 ausgestattet, in der ein erfindungsgemäßer Vorkühlungsschritt ΔtVK durchgeführt wird. In dem Vorkühlungsschritt ΔtVK wird die komplette Platine 7 um eine Temperaturdifferenz ΔT1 bis auf eine Vorkühltemperatur ϑVK vorgekühlt, die in der 2 beispielhaft bei 550°C liegt.
-
Beispielhaft weist die als Vorkühleinheit wirkende Ofenzone 17 in der 1 drei Druckluftdüsen 18 auf, die die Platine 7 mit Druckluft beaufschlagen. In der Ofenzone 17 erfolgt die Vorkühlung ohne spezielles Schutzgas oder ohne Atmosphärenregelung. Von daher ist die AlSi-Beschichtungsauflage der Platine 7 von großer Bedeutung, um eine Zunderbildung zu vermeiden.
-
Nach erfolgter Vorkühlung wird ein Einlageschritt ΔtE durchgeführt, bei dem die im Rollenherdofen 11 wärmebehandelte Platine 7 über eine Ofenauslaufstrecke a bis zu einer Zentrierstation 19 gefördert wird. In der Zentrierstation 19 wird die Platine 7 in einer vordefinierten Entnahmeposition positioniert, damit ein prozesssicheres Greifen der Platine 7 von einer Transfereinheit 21 gewährleistet ist. Die Transfereinheit 21 bringt die Platine 7 zum Umformwerkzeug 13 und legt diese dort ein. Durch den im Einlageschritt ΔtE erfolgenden Transfervorgang vom Rollenherdofen 11 zum Umformwerkzeug 13 wird die bereits vorgekühlte Platine 7 weiter um einen Temperaturversatz ΔT2 bis auf die Einlagetemperatur ϑein abgekühlt. Die Einlagetemperatur ϑein liegt in der 2 um einen Temperaturunterschied ΔT3 oberhalb der Martensit-Start-Temperatur Ms.
-
Im Umformwerkzeug 13 erfolgt der Presshärteschritt ΔtPH, in dem die Platine 7 warmumgeformt und pressgehärtet wird, wodurch das Stahlblechbauteil 1 gebildet ist. Das Stahlblechbauteil 1 wird mit einer Entnahmetemperatur ϑaus aus dem Umformwerkzeug 13 entnommen. Beispielhaft beträgt die Entnahmetemperatur ϑaus in der 2 etwa 180°C. Die Entnahmetemperatur ϑaus liegt in der 2 um einen Temperaturversatz ΔT4 unterhalb der Martensit-Finish-Temperatur Mf.
-
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Platine 7 aus einem Stahlsubstrat mit umwandlungsverzögerter Werkstoffgüte ausgebildet ist. Deren Austenitgebiet A ist durch Austenitbildner derart erweitert (das heißt im Diagramm der 2 nach rechts verschoben), dass die Vorkühlung und der Presshärteschritt ΔtPH vollständig im Austenitgebiet A erfolgt. Auf diese Weise ist eine Phasenumwandung, das heißt die Bildung von Perlit- und/oder Ferritgefügen P, F, verhindert.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wirkt speziell Mangan als Austenitbildner. Der Mangan-Gehalt im Stahlsubstrat der Platine 7 liegt in einem Bereich größer als 1,5 wt% sowie kleiner als 3 wt%. Dadurch stellt sich bevorzugt eine werkstoffspezifische Martensit-Finish-Temperatur Mf in einem Bereich größer als 240°C ein. Die Martensit-Finish-Temperatur Mf ist somit größer bemessen als bei einem herkömmlichen Stahlsubstrat. Vor diesem Hintergrund kann gegebenenfalls das gebildete Stahlblechbauteil 1 bereits bei höheren Entnahmetemperaturen ϑaus entnommen werden, ohne dass es zu einem übermäßig großen Bauteilverzug bzw. einer reduzierten Maßhaltigkeit kommt.
-
Durch das erfindungsgemäße Erweitern des Austenitgebiets A wird eine kritische, mittlere Abkühlrate im Presshärteschritt ΔtPH deutlich geringer als bei einem Vergleichs-Stahlsubstrat, zum Beispiel 22MnB5, das im Vergleich zum erfindungsgemäß verwendeten Stahlsubstrat (das heißt 20MnB8) nur einen reduzierten Austenitbildner-Anteil aufweist. Oberhalb der kritischen mittleren Abkühlrate im Presshärteschritt ist eine Phasenumwandlungsfreiheit in Richtung weicheres Gefüge, das heißt Perlit oder Ferrit, gewährleistet. Unterhalb der kritischen, mittleren Abkühlrate im Presshärteschritt erfolgt dagegen eine Phasenumwandlung in Richtung Perlit oder Ferrit.
-
In den 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Prozessroute weitgehend identisch mit der Prozessroute gemäß den 1 und 2 ist. Von daher wird auf die Vorbeschreibung verwiesen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel erfolgt in den 3 und 4 in einem Temperier-Schritt ΔtT nicht nur ein Vorkühlen ΔtVK, sondern zusätzlich ein anschließender Wärmebehandlungs-Schritt Δtw. In den 3 und 4 ist der Temperier-Schritt ΔtT als ein thermischer Printprozess bzw. als ein Tailored Tempering realisiert. Dadurch lassen sich neben den harten martensitischen Bereichen im nicht vorgekühlten Platinenbereich 33, weiche Bereiche im vorgekühlten Platinenbereich 31 einstellen.
-
Zur Durchführung des thermischen Printprozesses ist in der 3a der Ofenzone 17 eine Wärmebehandlungs-Vorrichtung 23 nachgeschaltet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel erfolgt in der Ofenzone 17 keine komplette Vorkühlung der Platine 7, sondern lediglich eine partielle Vorkühlung ΔtVK. Gemäß der 3b ist daher die Ofenzone 17 quer zur Fertigungsrichtung F in einen Vorkühl-Abschnitt 25 mit Druckluftdüsen 18 und in einen abgeschirmten Warmhalte-Abschnitt 29 unterteilt, der über eine Trennwand 27 von dem Vorkühl-Abschnitt 25 thermisch abgeschirmt ist. Im Vorkühl-Abschnitt 25 wird eine erster Platinenbereich 31 vorgekühlt, während im Warmhalte-Abschnitt 29 ein zweiter Platinenbereich 33 von der Vorkühlung thermisch abgeschirmt ist und mit Hilfe eines Heizelements 35 warmgehalten werden kann.
-
In der nachgeschalteten Wärmebehandlungs-Vorrichtung 23 erfolgt ein Wärmebehandlungs-Teilschritt Δtw, in dem mit Hilfe eines Heizelements 37 sowohl der vorgekühlte Platinenbereich 31 als auch der nicht vorgekühlte Platinenbereich 33 erwärmt werden. Dabei wird ein partielles Austenitisieren durchgeführt, bei dem der nicht vorgekühlte Platinenbereich 33 bis auf über die Austenitisierungstemperatur erwärmt wird.
-
Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, werden durch das partielle Vorkühlen ΔtVK in der Platine 7 die beiden Platinenbereiche 31 und 33 auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt. Auf diese Weise ergeben sich gemäß der 4 in den beiden Platinenbereichen 31, 33 lokal geänderte Zeit-Temperatur-Verläufe. In der 4 ist mit durchgezogener Linie der Zeit-Temperatur-Verlauf im vorgekühlten Platinenbereich 31 gezeigt, während mit gestrichelter Linie der Zeit-Temperatur-Verlauf im nicht vorgekühlten Platinenbereich 33 gezeigt ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stahlblechbauteil
- 3
- Stahlsubstrat-Band
- 5
- Schmelztauchbad
- 7
- Platine
- 9
- Platinen-Stapel
- 11
- Rollenherdofen
- 13
- Umformwerkzeug
- 15
- Ablagestation
- 17
- Ofenzone
- 18
- Druckluftdüsen
- 19
- Zentrierstation
- 21
- Transfereinheit
- 23
- Wärmebehandlungs-Vorrichtung
- 25
- Vorkühl-Abschnitt
- 27
- Trennwand
- 29
- Warmhalte-Abschnitt
- 31
- vorgekühlter Platinenbereich
- 33
- nicht vorgekühlter Platinenbereich
- 35
- Heizelement
- a
- Ofenauslaufstrecke
- S
- Schmelztauchprozess
- P
- Platinenbeschnitt
- F
- Fertigungsrichtung
- ϑVK
- Vorkühltemperatur
- ϑein, ϑein1, ϑein2
- Einlagetemperaturen
- Ms
- Martensit-Start-Temperatur
- Mf
- Martensit-Finish-Temperatur
- ϑaus
- Entnahmetemperatur
- ΔtA,
- Austenitisierungsschritt
- ΔtT
- Temperierschritt
- ΔtVK
- Vorkühlungsschritt
- ΔtW
- Wärmebehandlungsschritt
- ΔtT
- Transferschritt
- ΔtPH
- Presshärteschritt
- ΔT1, ΔT2, ΔT3, ΔT4
- Temperaturunterschiede
- A
- Austenitgebiet
- F
- Ferritgebiet
- P
- Perlitgebiet
-
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 102016124539 A1 [0005]
- DE 112019003814 T5 [0005]
- DE 102018206343 A1 [0005]
