DE10239372B3

DE10239372B3 - Verfahren zur Herstellung von Umformteilen

Info

Publication number: DE10239372B3
Application number: DE2002139372
Authority: DE
Inventors: Franziska Ahrens; Axel Kadolph
Original assignee: MQ ENGINEERING GmbH
Current assignee: MQ ENGINEERING GmbH
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-29

Abstract

Die Erfindung beschreibt die Vorgehensweise zur Herstellung von Umformteilen mit guter Herstellbarkeit infolge hoher Plastifizierung durch Ausnutzung der Umwandlungsplastizität während martensitischer Umwandlung bei gleichzeitig hoher Verfestigung nach abgeschlossener Umformung/Herstellung und Nachweis noch vorhandener guter Dehnung und zähem Bruchverhalten. DOLLAR A Die ausgewogene Kombination guter Plastifizierbarkeit und hoher Verfestigung (Höhe in Grenzen nach Wunsch variabel einstellbar) wird erreicht durch die während der Umformung definiert chargenabhängig gesteuerten martensitischen Umwandlungen in metastabilen Legierungen, wie z. B. austenitischen Stählen der Art 1.4301, 1.4306, 1.4307 und weiteren Werkstoffen mit dem Potential oder einem anteiligen Potential martensitischer Umwandlungen. Die definierte Steuerung der beschriebenen martensitischen Umwandlungen während der Umformung wird durch gezielte Einstellung der folgenden Prozessparameter realisiert: Umformtemperatur (über Regelung von Wirkmedientemperatur und/oder Werkzeugtemperatur sowie Temperatur der Materialzuschnitte und Verhinderung adiabatischer Erwärmungen durch Temperaturregelung), Höhe des z. B. über das Wirkmedium aufgebrachten Druckes und/oder Umformgrades sowie über Variation der Umformgeschwindigkeit. Die Einstellung dieser Prozessparameter erfolgt chargenabhängig auf der Basis definierter Vorversuche.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Umformteilen mit teilweise schwierig herstellbaren Geometrien nach einem Verfahren, welches eine verbesserte Umformbarkeit des Materials während der Umformung und nach abgeschlossener Umformung variable Festigkeitseigenschaften der hergestellten Bauteile bis hin zu extremer Festigkeitssteigerung kombiniert.

Bei Verwendung klassischer Werkstoffe oder aber metastabiler Werkstoffe mit nicht entsprechend eingestellter chemischer Zusammensetzung und nicht speziell abgestimmten Umformtemperaturen, Umformgeschwindigkeiten und/ oder Nachbehandlungstemperaturen wird entweder eine gute Umformbarkeit oder aber eine hohe Festigkeit im fertig umgeformten Zustand erreicht. Die gezielte Ausnutzung der Umformbeanspruchung zur Erzielung eines hervorragenden Umformverhaltens unter gleichzeitiger und/ oder abschließender Verfestigung (gegebenenfalls auch unter Zuhilfenahme nachgelagerter, weiterführender Umwandlungen) ist mit herkömmlichen klassischen Werkstoffen nicht möglich. Klassische Werkstoffe zeigen entweder eine gute Umformbarkeit oder weisen bei hoher Ausgangsfestigkeit eine ungenügende Umformeignung auf.

Es ist hinlänglich bekannt, dass Werkstoffe, die eins martensitische Umwandlung durchlaufen, während der Umwandlung besonders plastifizierbar sind. Außerdem kann durch die Bildung von Martensit eine gewisse Verfestigung der Matrix erreicht werden.

Bisher ist es jedoch nicht gelungen, diese beiden Effekte an einem Bauteil dergestalt zu nutzen, dass sowohl eine gute Umformbarkeit des Materials als auch eine hohe Bauteilverfestigung erzielt wird. Anderweitige Patente ( DE 36 14 290 C2 , 41 14 301 A1 ) nutzen den Effekt martensitischer Umwandlung nach normalem aufwendigen Umformprozess zur nachfolgenden Verfestigung. Eine gleichzeitige Nutzung der Plastifizierbarkeit während der Umformung zur vollständigen Formgebung konnte jedoch nicht erreicht werden. Die Parameter der Umformung konnten ebenfalls bisher nicht zur gezielten Einstellung der späteren Bauteileigenschaften benutzt werden.

Zwar konnten in Veröffentlichungen in der Literatur für einzelne Legierungen mit definierter Zusammensetzung Temperaturen mit guter Umwandlungsplatizität angegeben werden. Eine technische Nutzung war bisher jedoch deshalb offensichtlich nicht möglich, da durch die adiabatische Erwärmung der Teile während der Deformation diese für eine hohe Pastifizierbarkeit günstigen Temperaturen wieder verlassen wurden und die Umwandlungsplastizität buchstäblich versiegte.

Auch die Nutzung der Verfestigung durch Martensitbildung während einer kompletten Umformfolge ist bisher nicht erfolgreich umgesetzt worden, da zumindest örtlich durch zu schnelle und oder nicht steuerbare, zu große Deformationen Martensitbildungsmengen undraten erreicht wurden, die eine bereits zur Rissbildung führende, örtlich extrem hohe Verestigung bewirkten.

Bestimmte Industriebereiche (z. B. Herstellung von Spülbecken) versuchen daher über Stabilitätserhöhungen durch Legierungselemente sogar den Effekt der Martensitbildung zu unterdrücken, da durch die während eines klassischen Tiefziehprozesses nicht steuerbare Umwandlung eine zu frühe Verfestigung und damit Rissbildung während der Verformung eintritt.

Allen Bemühungen, Umformbarkeit und Verfestigung miteinander zu verbinden, stand damit bisher jeweils die Tatsache im Weq, dass mit zunehmender Verfestigung, die für die Bauteilendeigenschaften dringend benötigt wird, die Zähigkeit des Materials zurückging und die weitere Umformung dadurch zunächst erschwert und dann unmöglich wurde (auf diesen Verfestigungsvorgang zielt die Patentschrift DE 36 14 290 C2 ) oder aber dass der Temperaturbereich der hohen Umwandlungsplastizität während der Umformung infolge der adiabatischen Erwärmung des Teiles nicht gehalten werden konnte und die Umwandlungsplastizität damit nicht zur Wirkung kam.

Bestehende Werkstoffkonzepte mit nur Anteilen an metastabiler Phase liegen in ihrer Ausgangsstreckgrenze des Werkstoffes durch die weiteren an der Matrix beteiligten Phasen bereits so hoch, dass sie nur noch schwer zu verformen sind und mit diesem Werkstoffkonzept sowohl für die Verformbarkeit als auch für den Festigkeitszuwachs nur noch vergleichsweise geringer Zuwachs erreicht wird. Letzteres gilt insbesondere dann, wenn diese Werkstoffe entsprechend Verarbeitungshinweis der Hersteller bei Raumtemperatur durch Umformung verarbeitet werden und nicht entsprechend der in der hier vorliegenden Patentschrift formulierten Ansprüche behandelt werden.

Der Erfindung zugrunde liegendes Problem/ Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, sowohl das Umformvermögen des umzuformenden Materials durch Gestaltung wesentlicher Prozessparameter während der Umformung beträchtlich zu erhöhen als auch durch gleiche Steuerung der Prozessparameter während der Umformung die nachfolgenden Bauteileigenschaften nachhaltig zur Gebrauchswerterhöhung zu beeinflussen. Dabei wird das Umformvermögen des Materials dadurch erhöht, dass eine gezielte Nutzung der Umwandlungsplastizität in Werkstoffen mit dem Potential martensitischer Umwandlungen erfolgt. Der Bauteilbeanspruchung angepasste Bauteileigenschaften bis hin zur Einstellung sehr hoher Festigkeiten bei dennoch gutem Restverfonnungsvermögen und zähem Bruchverhalten erfolgt über die gezielte Erzeugung von martensitischen Umwandlungskeimen.

Die Erfindung, für die in den Patenansprüchen Schutz begehrt wird

Die Lösung dieser Aufgabenstellung und damit gleichzeitig die Erfindung besteht darin, einen chargenbezogene Steuerung aller Prozessparameter durchzuführen, deren Basis chargenbezogene Vorversuche sind. Über entsprechende in Vorversuchen zu bestimmende Prozessparameter werden die Vorteile eines Wirkmediums zur Druckaufbringung zur Steuerung des Umwandlungsprozesses hinsichtlich Höhe, Ort und Geschwindigkeit der Beanspruchung sowie hinsichtlich zeitlicher und temperaturseitiger Steuerung in metastabil reagierenden Werkstoffen dergestalt genutzt, dass der Werkstoff während der Umformung infolge martensitischer Umwandlung außerordentlich plastifizierbar wird, hinreichend lange die günstige Temperatur der hohen Umwandlungsplastizität über Wärmeabführung durch das Wirkmedium halten kann und anschließend nach ertolgter Umformung (eventuell unter Zuhilfenahme weiterer Nachbehandlungen) in einem außergewöhnlich vertestigten Zustand vorliegt. Dabei können wunschgemäß auch geringere Festigkeitsniveaus eingestellt werden.

Die über Vorversuche realisierte Steuerung und Unterstützung der Effekte durch ein Wirkmedium (umgewälzt und extern temperaturgeregelt) ermöglicht bei variablen Geschwindigkeiten und Belastungen (bis hin zur Aufbringung harter und weicher Druckimpulse, welche örtlich gerichtet sein können) eine sehr gute technologische Parametergestaltung für den Prozess (Temperatur, Umformgeschwindigkeit, Druckaufbau, Anteile umgewandelter Gefügestruktur) und erlaubt es außerdem, bauteilbeanspruchungsgerecht bestimmte örtliche Bereiche während der Umformung höher zu beanspruchen und damit höher zu verfestigen als andere.

Gegenstand der Erfindung ist es damit, durch Steuerung der Prozessparameter Umformtemperatur (über Temperatursteuerung Wirkmedium und Temperaturausgleichsmaßnahmen), Umformgeschwindigkeit, Umformgrad, Druck aber auch Chargenzusammensetzung und Korngröße die Effekte Umwandlungsplastizität und Vertestigung an ein und dem selben Bauteil zur Steigerung der Umformbarkeit und der Bauteilendfestigkeit so miteinander zu verbinden, dass sich beide Effekte nicht gegenseitig ausschließen, sondern steuerbar und sowohl für die Herstellungstechnologie als auch für die Bauteileigenschaften maximal nutzbar sind und das bei Einstellung gleichzeitig guter Dehnung und eines zähen Bruchverhaltens.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung besteht in der Kombination der folgenden technologischen Einzelmaßnahmen:

– durch Einengung der chemischen Zusammensetzung und Korngröße (dahingehend, dass eine möglichst maximale Instabilität gegenüber Deformation in technisch realisierbaren Temperaturfeldern, speziell bei der Temperatur der Umwandlungsplastizität besteht)
– durch Regelung der Prozessparameter auf der Basis von chargenabhängigen Vorversuchen (insbesondere über Umformtemperatur und -geschwindigkeit) Gewährleistung der maximalen Umformbarkeit (Umwandlungsplastizität) auch bei Abweichungen von der gewünschten chemischen Zusammensetzung und bei Chargenschwankungen (Umformung jeweils im Temperaturteld der höchsten Instabilität der jeweiligen Materialcharge)
– durch eine über das Wirkmedium in ihrer Höhe steuerbare Deformationskraft dergestalt, dass eine Phasenumwandlung durch Deformation tatsächlich auslöst wird sowie örtlich eine bedarfsgerechte Steuerung der Plastifizierbarkeit und Verfestigung über örtliche Druckimpulse erfolgen kann
– durch Regelung der Geschwindigkeit und Steuerung über das Wirkmedium (notfalls auch mit einzelnen Druckimpulsen) dergestalt, dass über teilweise auch relativ langsame Umformungsgeschwindigkeiten stetig nur geringe Umwandlungsmengen erzeugt werden und dadurch höchste Plastifizierbarkeit ohne frühzeitige, durch zu hohe Vertestigung ausgelöste Rissbildung sichergestellt ist
– durch chargenbedingte Steuerung der Umformtemperatur (Temperatur der Umwandlungsplastizität) unter Zuhilfenahme von Vorwärmung/ Vorkühlung der Halbzeugzuschnitte und Umwälzung sowie externe Temperierung des Wirkmediums (dieser Punkt bildet ebenfalls einen wesentlichen Unterschied zu bisherigen Erfindungen und Bemühungen, da er die Möglichkeiten schafft, die störende adiabatische Erwärmung der Teile während der Umformung zu mindern oder zu beseitigen und damit insbesondere höchste Plastifizierung sicherstellt, welche nachweislich bei keiner vorherigen Erfindung zur Umformung martensitisch umwandelnder Werkstoffe Zielstellung war).
– durch eventuelle weitere Eigenschaftsverbesserungen durch spezielle, dem Werkstoff angepasste Glühbehandlungen.

Beispiele für die erzielten Eigenschaften

Ausgangskennwerte der Beispielcharge C1: R_p0,2= 324 N/mm²
Rm = 646 N/mm²
A₅ = 51,2 %

Beschreibung der Ausführung der Erfindung am Beispiel von austenitischem Stahl:

In ähnlicher Weise ist bei allen Werkstoffen vorzugehen, die ebenfalls eine martensitische Umwandlung in einem technisch interessanten Temperaturfeld (möglichst zwischen + 150°C und –196°C) zeigen. Für Werkstoffe mit nur einem Anteil martensitisch umwandelnder Phase ist der Prozess analog umzugestalten.

a) Beschaffung einer geeigneten Chargen mit der Möglichkeit der martensitischen Umwandlung, Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der angelieferten Charge.
b) Herstellung von bevorzugt Flachzugproben (notfalls auch Rohrzugproben) aus dieser Charge und Durchführung von Zugversuchen bei jeweils konstanten, in 10K-Schritten variierten Temperaturen. Dabei ist zur Einstellung der Temperaturen ein Temperiergefäß zu verwenden, in dem sich ein extern umgewälztes und temperaturgesteuertes Temperiermedium befindet.
c) Die Zugversuche sind bei verschiedenen Dehnungsgeschwindigkeiten durchzuführen. Die erzielte Dehnung ist jeweils zu bestimmen.
d) Aus den bei den verschiedenen Temperaturen und Vertormungsgeschwindigkeiten sind Plastifizierungsdiagramme zu erstellen, aus denen die Temperatur der höchsten Umwandlungsplastizität (höchsten Dehnung) bei der jeweiligen Umformgeschwindigkeit abgelesen werden kann.
e) Die so ermittelten Parameter werden genutzt zur Durchführung der zweiten Stufe der Vorversuche; es werden entsprechende Zuschnitte auf der wirkmedienbasierten/temperierten Umformeinrichtung (z. B. einer Innenhochdruckpresse oder auch einer wirkmedienbasierten Tiefzieheinrichtung) bei den in den vorhergehend beschriebenen Versuchen ermittelten Prozessparametern in dem für die Fertigung vorgesehenen Werkzeug umgeformt. Hier erfolgt die Variierung und Einstellung der Höhe und der Orte der Druckaufbringung. Als Gutkriterium für die Gewährleistung der Plastifizierbarkeit für den konkreten Anwendungsfall dient die Rissfreiheit nach der Umformung, die sowohl zerstörungsfrei als auch durch zusätzliche metallografische Untersuchungen zu bewerten ist.
f) Zur Überprüfung der ausreichenden Bauteilverfestigung und der noch erzielten Dehnung nach erfolgter rissfreier Umformung können verschiedene Methoden verwendet werden (Zerreiß- oder Berstproben mit den fertigen Umformteilen; Kontrolle des zähen Bruchverhaltens über Bruchflächenkontrolle im Rasterelektronenmikroskop).
g) Nachfolgend erfolgt die Herstellung der Umformteile an einer wirkmedienbasierten Umformeinrichtung bzw. unter Zuhilfenahme eines Temperiermediums unter Übertragung der ermittelten Prozessparameter Umformgeschwindigkeit und Umformtemperatur. Die im Zugversuch ermittelte Umformgeschwindigkeit ist auf die Prozessgeschwindigkeit der Umformeinrichtung umzubewerten. Die Umformtemperatur wird über die Temperierung des Wirkmediums und die Vorwärmung/ -kühlung der Zuschnitte eingestellt. Des weiteren erfolgt über Vorversuche an der Presse die Bestimmung des erforderlichen Pressendruckes zur Steuerung der Umwandlung und zur Steuerung der späteren Eigenschaften (Kontrolle über metallografische Untersuchungen, Zugversuche, Berstversuche).
h) Zur Sicherstellung technisch interessanter Taktzeiten werden in den Fällen, in denen die in den Vorversuchen ermittelten, für die Plastifizierbarkeit erforderlichen Umformgeschwindigkeiten nur sehr gering sind, Mehrtachwerkzeuge eingesetzt.
i) Werden große Mengen α- Martensit bei Anwendung der unter a) bis i) dargestellten Verfahrensweise erzeugt, sollte eine nachfolgende Spannungsarmglühung erfolgen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Umformteilen mit verbesserter Herstellbarkeit und hoher Bauteilfestigkeit sowie weiterhin gutem Dehnungs- und zähem Bruchverhalten nach der Herstellung in Werkstoffen mit der Möglichkeit einer martensitischen Umwandlung dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer zu frühen Verfestigung während der Umformung durch zu hohe Martensitbildungsraten eine über ein Wirkmedium gesteuerte, über Vorversuch zu bestimmende, der Legierungszusammensetzung angepasste Umformtemperatur in Kombination mit einer über Vorversuch angepassten, teilweise im Vergleich zu klassischen Tiefziehprozessen unter Umständen sogar relativ geringen Umformgeschwindigkeit angewendet wird.
Verfahren zur Herstellung von Umformteilen mit verbesserter Herstellbarkeit und hoher Bauteilfestigkeit sowie weiterhin gutem Dehnungs- und zähem Bruchverhalten nach der Herstellung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen von der Chargenzusammensetzung über die Korrektur der Umformungstemperatur und der Umformgeschwindigkeit ausgeglichen werden, in dem anhand von Probenmaterial aus der betreffenden abweichenden Charge über Vorversuche für diese Charge die Temperatur der höchsten Umwandlungsplastizität sowie die für eine kontinuierliche Martensitbildung mit geringer Bildungsrate und damit hohe Plastifizierbarkeit erforderliche Umformgeschwindigkeit bestimmt werden und diese Parameter dann während der Umformung innerhalb vorgegebener Prozessfenster eingehalten werden.
Verfahren zur Herstellung von Umformteilen mit verbesserter Herstellbarkeit und hoher Bauteilfestigkeit sowie weiterhin gutem Dehnungs- und zähem Bruchverhalten nach der Herstellung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass analog auch solche Werkstoffe genutzt werden können, die nur einen gewissen Anteil umwandlungsfähiger Phase im Gefüge aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Umformteilen mit verbesserter Herstellbarkeit und hoher Bauteilfestigkeit sowie weiterhin gutem Dehnungs- und zähem Bruchverhalten nach der Herstellung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise Nachbehandlungen der Umformteile folgender Art ausgeführt werden: 4.1. Die Beseitigung von Eigenspannungen an derartig hergestellten Bauteilen durch nachfolgendes Entspannungsglühen bei den jeweiligen Legierungszusammensetzungen angepassten Temperaturen unter definierter Inkaufnahme von Rückbildung von Anteilen gebildeten Martensits oder aber
4.2. eine Glühung zur Ausnutzung von Bakehardeningeffekten bei Werkstoffen, die neben einer umwandlungsfähigen Phase weitere Phasen enthalten, die nach ursprünglichem Werkstoffkonzept ein Bakehardeningpotential aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Umformteilen mit verbesserter Herstellbarkeit und hoher Bauteilfestigkeit sowie weiterhin gutem Dehnungs- und zähem Bruchverhalten nach der Herstellung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die legierungs- und chargenbedingte technologische Prozesssteuerung im einzelnen über die Parameter 5.1. definierte (möglichst eingeengte chemische) Zusammensetzung 5.2. Strukturmerkmale (z. B. Korngröße) 5.3. Umwandlungstemperaturen (aus den vorstehend genannten Größen abgeleitet) 5.4. Umformgeschwindigkeit 5.5. Höhe des über das Wirkmedium aufgebrachten Druckes 5.6. Wirkmedientemperatur und/ oder Temperiermedientemperatur 5.7. Vorwärmtemperatur der Halbzeugzuschnitte 5.8. Temperaturausgleichsmaßnamen zur Verminderung des für eine optimale martensitische Umwandlung negativen Effektes der Eigenerwärmung der Teile während des Umformprozesses erfolgt.
Verfahren zur Herstellung von Umformteilen mit verbesserter Herstellbarkeit und hoher Bauteilfestigkeit sowie weiterhin gutem Dehnungs- und zähem Bruchverhalten nach der Herstellung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleich einer teilweise für technische Umformprozesse relativ geringen Umformgeschwindigkeit durch Verwendung von Mehrfachwerkzeugen (Formung mehrerer Teile in einem Arbeitsgang) erfolgt.