DE10339119B3

DE10339119B3 - Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Strukturbauteils

Info

Publication number: DE10339119B3
Application number: DE2003139119
Authority: DE
Inventors: Georg Frost
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-23

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Strukturbauteils aus Stahl. Erfindungsgemäß wird aus einer ungehärteten härtbaren Stahlsorte zunächst eine Platine geschnitten und dann auf über AC¶3¶ Temperatur erwärmt und in einem Universalflachwerkzeug gehärtet. Nach dem Härten wird die Platine durch Kaltumformen zu dem Strukturbauteil weiterverarbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Strukturbauteils aus härtbarem Stahl durch Bereitstellen eines Coils, Entnahme einer Platine aus diesem Coil und Durchführen eines Erwärmungs-, eines Härte- und eines Formprozesses nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 2452486 C2 ist ein Verfahren zum Pressformen und Härten bekannt, bei dem ein Blech aus einem borlegierten Stahl auf eine Temperatur über AC₃ erwärmt und das Stahlblech danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formveränderung gepresst wird. Man erhält so ein Strukturbauteil mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit, bei dem sich die gewünschten Festigkeitswerte durch das Härten einstellen lassen.

Für das Erreichen hoher Festigkeitswerte und das Einstellen der gewünschten Materialeigenschaften ist es erforderlich den Stahl zu härten. Allerdings ist das oben beschriebene Warmformverfahren relativ teuer und aufwändig. Wird das Strukturbauteil vor dem letzten Umformschritt erwärmt und anschließend in einem Werkzeug gehärtet, muss zur Erwärmung in der Regel ein raumbedürftiger Ofen eingesetzt werden. Das Umform- und Härtewerkzeug muss aufwändig gekühlt werden, was in der Regel über teure und störanfällige Kühlbohrungen erreicht wird. Der Werkzeugverschleiß ist relativ hoch, weil das erwärmte Bauteil nicht geschmiert werden kann. Zudem müssen gerade die besonders teuren Warmformwerkzeuge für jede Bauteilgeometrie maßangfertigt werden.

Es ist auch bekannt, anstelle eines härtbaren borlegierten Stahls und eines Warmform- und Härteverfahrens einen kalthochfesten Martensitphasenstahl zur Herstellung eines Strukturbauteils einzusetzen. Als Beispiel sei hier ein Stahl mit der Normbezeichnung S 900 QC und der DIN-Werkstoffnummer 1.0965 genannt. Dieser Stahl verfügt bereits im Coil über eine Streckgrenze von R_P0,2 ≥ 900 N/mm², einer Zugfestigkeit von R_m = 1200 bis 1450 N/mm² und einer Dehnung A₅ von ≥ 8%, wobei die Angaben für Querproben gültig sind. Um die Festigkeit nicht negativ zu beeinflussen, kann bei diesem kalthochfesten Stahl im Zuge der Weiterverarbeitung kein Warmformprozess eingesetzt werden. Stattdessen wird dem Coil eine Platine entnommen und anschließend kalt umgeformt. Dabei müssen jedoch eine Reihe von Nachteilen in Kauf genommen werden. Durch die in dem Stahl während des Walzprozesses entstandene Kaltverfestigung und den dadurch bedingten geringen Umformgrad aufgrund der geringen Dehnung springen die Platinen beim Schneiden auf. Das Material lässt sich nicht richten und die Platine ist uneben und lässt sich damit schlecht transferieren. Außerdem ist in dem Coil keine Verschachtelung des Platinenschnitts möglich, weil das Stahlband abweichende mechanische Eigenschaften in Längs- und Querrichtung aufweist. Folglich wird die Bandbreite des Coils nicht voll ausgenutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Herstellungsprozess eines Strukturbauteils aus einem gehärteten Stahl zu vereinfachen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils aus Anspruch 1. Demnach wird ein Coil aus einem ungehärteten härtbaren Stahl bereitgestellt. Aus diesem Coil wird eine Platine entnommen. Die Platine wird auf über AC₃ Temperatur erwärmt und gehärtet. Erst dann wird die Platine kalt zu dem Strukturbauteil umgeformt. Entscheidend für die Erfindung ist die Position des Härteprozesses in der Verfahrensabfolge. Erfolgte der Härteprozess im Warmformverfahren nach dem Stand der Technik mit der Endformgebung des Strukturbauteils im Warmformwerkzeug, so wird nunmehr erfindungsgemäß die ebene Platine erwärmt und gehärtet. Ein nach dem Stand der Technik zu erwärmendes Strukturbauteil ist bis zu 90% durch Kaltumformen vorkonfiguriert und verfügt über eine deutliche Höhenerstreckung. Wegen der geringen Blechdicke von wenigen Millimetern und der demzufolge eher zweidimensionalen Form der Platine können erfindungsgemäß besser alternative Erwärmungsverfahren anstelle des Ofens eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Platine induktiv und unter Schutzgasatmosphäre erwärmt. Denkbar ist jedoch auch eine homogene konduktive Erwärmung. Zudem kann die Platine einfacher als ein vorgeformtes Strukturbauteil nur partiell erwärmt werden, wodurch unterschiedliche Materialeigenschaften im dem fertigen Strukturbauteil gezielt einstellbar sind. Auch ist das Einstellen einer Schutzgasatmosphäre im Ofen aufgrund der großen Durchlaufstrecke und der langen Haltezeit aufwändig. Bei schnellen Erwärmungsverfahren mit kürzerer Erwärmungsdauer lässt sich das Einstellen einer Schutzgasatmosphäre besser handhaben. Mit der Erwärmung unter Schutzgas kann das im Stand der Technik regelmäßig eingesetzte Reinigungsverfahren zum Entfernen der während der Erwärmung entstandenen Zunderschichten entfallen. Dadurch wird beispielsweise ein Sandstrahlen überflüssig. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil liegt in der Vereinfachung des Härtewerkzeuges. Für das verzugsarme Härten der erwärmten Platine kann ein Universalflachwerkzeug eingesetzt werden. Durch die Werkzeughärtung bleibt die Maßgenauigkeit der Platine erhalten. Gleichzeitig kann ein und dasselbe Werkzeug zur Härtung verschiedener Platinenzuschnitte eingesetzt werden. Folglich können auch verschiedene gehärtete Strukturbauteile mit ein und demselben Härtewerkzeug hergestellt werden. Das war bisher nicht möglich. Durch die Eliminierung unterschiedlicher aufwändiger Warmform- und Härtewerkzeuge verbilligt sich der gesamte Herstellungsprozess erheblich. Als erfindungsgemäßes Härtewerkzeug für die Platine kommt zum Beispiel eine Presse oder ein Paternoster zum Einsatz.

Das anschließende Kaltformen geschieht mit einer bis zu fünffach höheren Taktfrequenz als die Warmformvorgänge, die Formung läuft daher schneller ab. Zwar setzt die bereits gehärtete Platine den Kaltformwerkzeugen einen höheren Formänderungswiderstand entgegen als eine erwärmte Platine, die Werkzeuge und/oder die Platine können jedoch zum Beispiel mit Öl geschmiert werden. Durch die Schmierung und dadurch, dass die Arbeitstemperatur die Umgebungstemperatur des Werkzeugs nicht oder kaum überschreitet, ist der Werkzeugverschleiß insgesamt viel geringer. Zudem tritt bei der Kaltformung keine oder kaum Riefenbildung am Bauteil auf. Die Riefenbildung beruht auf dem Werkzeugverschleiß. Je unebener und rauher die Werkzeugoberfläche aufgrund mangelnder Schmierung wird, desto unebener und rauher wird die Bauteiloberfläche, die Riefen entstehen. Je geringer der Werkzeugverschleiß, desto geringer die Riefenbildung. Wegen der wegfallenden Wärmeausdehnung des geformten Strukturbauteils kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit engeren Toleranzen gearbeitet werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem herkömmlichen Warmformen das Sandstrahlen und der große Ofen entfallen können, der Werkzeugverschleiß und die Riefenbildung geringer sind und zudem die Produktion durch das einfachere Härtewerkzeug und die höheren Taktzeiten schneller ist. Die gewünschten Materialkennwerte lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in der gehärteten Platine ebenso einstellen wie mit dem Warmformverfahren nach dem Stand der Technik.

Bevorzugt wird als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren eine Stahllegierung mit Mangan- und Boranteilen der folgenden Zusammensetzung eingesetzt:
Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3%
Silizium (Si) 0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn) 1,0% bis 2,5%
Phosphor (P) maximal 0,025%
Chrom (Cr) bis 0,8%
Molybdän (Mo) bis 0,5%
Schwefel (S) maximal 0,01%
Titan (Ti) 0,02% bis 0,05%
Bor (B) 0,002% bis 0,005%
Aluminium (Al) 0,01% bis 0,06%

Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Die angegebenen Legierungszusammensetzung ist für das herkömmliche Warmformverfahren erprobt. Nach der Härtung stellt sich bei diesem Stahl eine Streckgrenze von R_P0,2 ≥ 950 N/mm², eine Zugfestigkeit R_m ≥ 1350 N/mm² und eine Dehnung A₅ ≥ 8% ein.

Gegenüber dem kalt zu formenden kalthochfesten Stahl wie dem S 900 QC aus dem Stand der Technik ergeben sich erfindungsgemäß ebenfalls Vorteile. Der bevorzugte borlegierte Stahl ist isotrop, was bedeutet, dass der Wert seiner mechanischen Eigenschaften nicht davon abhängt, in welcher Orientierung sich das Material zu einem äußeren Bezugssystem befindet. Aus einem Coil des ungehärteten borlegierten Stahls kann daher richtungsunabhängig eine Platine geschnitten werden. Folglich können aus einer Bandbreite so viele Platinen wie möglich in unterschiedlichsten Lagen geschnitten werden. Der Abfall wird dadurch auf ein Minimum reduziert und das Coil optimal ausgenutzt. Das ungehärtete Material lässt sich gut richten. Im Gegensatz zu dem kalthochfesten Stahl aus dem Stand der Technik sind die Platinen nach dem Richten glatt und ohne Wellen oder Querwölbungen. Zudem verfügt der borlegierte Stahl im gehärteten Zustand mit einer Streckgrenze von R_P0,2 ≥ 950 N/mm² und einer Zugfestigkeit R_m von bis zu 1650 N/mm² über höhere Materialkennwerte als der kalthochfeste Stahl. Daraus resultiert eine Gewichtsersparnis des borlegierten Stahls gegenüber dem kalthochfesten Stahl. Er kann dünner ausgeführt werden und verfügt über mindestens das gleiche, wenn nicht ein besseres Umformverhalten als der kalthochfeste Stahl. Zudem sind die gewünschten Materialkennwerte über den gesteuerten Erwärmungs- und Härteprozess besser einstellbar als bei einem reinen Kaltformprozess.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen 1 das Warmformverfahren nach dem Stand der Technik,
2 das Verarbeiten eines kalthochfesten Stahls nach dem Stand der Technik und
3 das erfindungsgemäße Verfahren.
Gemäß 1 wird beim herkömmlichen Warmformen zunächst ein Coil 1 mit einem härtbaren Stahl bereitgestellt. Von diesem Coil 1 wird das Stahlband 10 abgewickelt und in einer Richtanlage 2 gerichtet. Sodann wird das Stahlband 10 in einer Schneidvorrichtung 3 in einzelne Platinen 100 geschnitten. Die Platinen 100 werden in einem Kaltformwerkzeug 4 kalt vorgeformt. Dies kann auch in mehreren Kaltformschritten geschehen. Anschließend werden die vorgeformten Platinen 100 in einem Ofen 5 auf über AC₃ Temperatur erwärmt und in einem gekühlten Werkzeug 6 endgeformt und gehärtet.
2 zeigt die Verarbeitung von kalthochfestem Stahl zu einem Strukturbauteil. Zunächst wird ein Coil 2 mit einem kalthochfesten Martensitphasenstahl bereitgestellt. Eigentlich müsste das Band 11 zunächst gerichtet werden. Das Richten führt jedoch nicht zum gewünschten Erfolg. Das Band 11 ist auch nach dem Richten uneben. Daher wird das Band 11 uneben weiterverarbeitet und in einer Schneidanlage 3 in einzelne Platinen 110 getrennt. Die Platinen werden sodann in einem Umformwerkzeug 4 kalt umgeformt, wobei mehrere Kaltformschritte hintereinander erfolgen können.
3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren. Zunächst wird wieder ein ungehärteter härtbarer Stahl in einem Coil 1 bereitgestellt, abgewickelt und in einer Richtanlage 2 gerichtet. In einem Schneidwerkzeug 3 wird das Band 10 in einzelne Platinen 100 getrennt. Die Platinen 100 werden sodann vor einem Formprozess erwärmt. Die Erwärmung 8 kann induktiv, konduktiv oder auch in einem Ofen erfolgen, wobei die jeweils einfachste und kostengünstigste Methode gewählt werden kann. Nach der Erwärmung auf eine Temperatur über AC₃ wird die Platine in einem gekühlten flachen Werkzeug 9 gehärtet. Dieses Werkzeug 9 kann als Universalwerkzeug für verschiedene Platinenzuschnitte verwendet werden. Aufgrund der ebenen Werkzeuggeometrie ist das Werkzeug 9 relativ preiswert herstellbar und relativ einfach zu warten. Nach dem Härteprozess wird die gehärtete Platine 100 in einem oder mehreren Schritten kalt umgeformt bis sie ihre Endform erreicht hat.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils aus gehärtetem Stahl durch Bereitstellen eines Coils, Entnahme einer Platine aus diesem Coil und Durchführen eines Erwärmungs-, eines Härte- und eines Formprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass ein Coil aus einem ungehärteten härtbaren Stahl bereitgestellt wird, dass aus diesem Coil eine Platine entnommen wird, dass die Platine sodann auf über AC₃ Temperatur erwärmt und gehärtet und anschließend kalt zu dem Strukturbauteilumgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine induktiv und unter Schutzgas erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine in einem Universalflachwerkzeug gehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial eine Stahlsorte bestehend in Gewichtsprozent aus Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3% Silizium (Si) 0,1% bis 0,7% Mangan (Mn) 1,0% bis 2,5% Phosphor (P) maximal 0,025% Chrom (Cr) bis 0,8% Molybdän (Mo) bis 0,5% Schwefel (S) maximal 0,01% Titan (Ti) 0,02% bis 0,05% Bor (B) 0,002% bis 0,005% Aluminium (Al) 0,01% bis 0,06% Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen bereitgestellt wird.