DE19743802C2 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteils für Kraftfahrzeugkomponenten, welches Bereiche mit einer höheren Duktilität aufweist.

Werkzeugvergütete Formbauteile für Kraftfahrzeugkomponen­ ten, wie Türaufprallträger oder Stoßfänger, werden mit über das Formbauteil verteilt gleich bleibenden Werk­ stoffeigenschaften hergestellt. Dies geschieht durch eine komplette Vergütung der Formbauteile. Durch die mit der Vergütung erreichten hohen Festigkeitswerte, mit Zugfe­ stigkeiten R_m von ca. 1500 N/mm² sinkt jedoch die Dukti­ lität des Werkstoffs. Der Werkstoff verliert damit sein Vermögen, sich bleibend zu verformen. Die Bruchdehnung A₅ liegt üblicherweise bei ca. 10%.

Die US-A-5,192,376 offenbart ein Verstärkungsrohr für den Automobilbau aus einer Stahllegierung, zu dessen Herstel­ lung ein Stahl gewalzt und die erzeugte Stahlplatine im heißgewalzten Zustand bei einer Temperatur von 600°C oder höher eingerollt wird. Anschließend wird das so her­ gestellte Rohr zur Steigerung der Festigkeit einer Ab­ schreckhärtung unterzogen.

Durch die EP 0 585 843 A2 zählt es zum Stand der Technik, eine Stahlplatine einer hochenergetischen Wärmebehandlung mittels Laserbestrahlung zu unterziehen, um hier Zonen erhöhter Festigkeit zu erzeugen.

Ein unterschiedliches plastisches Steifigkeitsverhalten von werkzeugvergüteten Preßformbauteilen wird zur Zeit durch ein partielles Auswalzen der Ausgangsplatinen vor der Umformung erreicht, wodurch die Wanddicken bereichs­ weise verringert werden.

In verschiedenen Anwendungsfällen der Kraftfahrzeugtech­ nik besteht der Bedarf, in den Formbauteile Bereiche mit einer höheren Duktilität vorzusehen. Dazu werden bei­ spielsweise Schließbleche, das sind Einlagen aus weiche­ ren Stahlqualitäten, in das Formbauteil integriert. Diese Vorgehensweise führt jedoch zu einem wesentlich höheren Fertigungs- und Kostenaufwand. Darüberhinaus ergibt sich hierdurch ein nicht unerhebliches Mehrgewicht der Form­ bauteile.

Auch die partielle walztechnische Wanddickenreduktion, um Bereiche mit unterschiedlichem Steifigkeitsverhalten zu erzeugen, ist mit hohen Investitions- und Fertigungs­ kosten verbunden. Desweiteren stößt die walztechnische Bearbeitung in Abhängigkeit von der Konfiguration des zu walzenden Bereichs an seine verfahrenstechnischen Gren­ zen. Dies ist insbesondere beim Walzen von schmalen Be­ reichen der Fall.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von metallischen Form­ bauteilen für Kraftfahrzeugkomponenten, welche Bereich mit einer höheren Duktilität aufweisen, verfahrenstech­ nisch zu vereinfachen, effizienter und damit ökonomischer zu gestalten, wobei auch die Variationsbreite hinsicht­ lich der geometrischen Konfiguration der Bereiche ver­ größert wird.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Partielle Bereiche der Platine, die beim fertigen Form­ bauteil eine höhere Festigkeit als das übrige Bauteil aufweisen sollen, werden in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C gebracht. Im Anschluß daran wird die wärmebehandelte Pla­ tine in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umgeformt. Auch die Vergütung wird im Pressenwerkzeug vorgenommen.

Der bevorzugte Temperaturbereich liegt bei 900°C, wobei die Aufheizung in einer Zeit von 20 bis 25 Sekunden er­ folgt.

Eine zweite Lösung der Aufgabe besteht nach Anspruch 2 verfahrensgemäß darin, die bereitgestellte Platine zunächst preßformtechnisch vor- oder endzuformen und an­ schließend partielle Bereiche des Zwischen- oder Formbau­ teils in der vorgenannten Weise wärmezubehandeln. Diese Bereiche weisen dann gegenüber dem übrigen Bauteil eine wesentlich höhere Festigkeit auf. Die Vergütung kann im Preßwerkzeug vorgenommen werden mit reduzierten oder so­ gar ohne Formoperationen. Gegebenenfalls findet nur ein Nachpressen (Kalibrieren) statt. Dieses Verfahren findet vorzugsweise für die Herstellung von Formbauteilen Anwen­ dung, welche breite aber kurze duktile Bereiche aufweisen sollen.

Schließlich besteht eine weitere Lösung der erfindungsge­ mäßen Aufgabe in den Merkmalen des Anspruchs 3. Diese Vorgehensweise wird vorzugsweise für die Herstellung von Formbauteilen mit einem oder mehreren schmalen langen duktilen Bereichen angewandt.

Erfindungsgemäß wird danach zunächst ein Formbauteil ge­ formt und vergütet. Hierzu wird die Platine komplett auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen er­ wärmt, in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umgeformt und anschließend in bekannter Weise vergütet. Im Anschluß daran wird eine gezielte partielle Erhöhung der Duktili­ tät des Formbauteils in den gewünschten Bereichen durch partielles Nachwärmen vorgenommen. Hierbei wird eine Schnellerwärmung in den erfindungsgemäßen Temperatur- und Zeitgrenzen vorgenommen.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Platine verwendet aus einer Stahllegierung, die in Gewichtspro­ zent ausgedrückt einen Kohlenstoffanteil C zwischen 0,18% bis 0,3%, einen Siliziumanteil Si zwischen 0,1% bis 0,7%, einen Mangananteil Mn zwischen 1,0% bis 2,5%, einen Phosphoranteil P von maximal 0,025%, einen Chromanteil Cr von 0,1% bis 0,8%, einen Molybdänanteil Mo zwischen 0,1% bis 0,5%, einen Schwefelanteil S von maximal 0,01%, einen Titananteil Ti zwischen 0,02% bis 0,05%, einen Boranteil B zwischen 0,002% bis 0,005% und einen Aluminiumanteil Al zwischen 0,01% bis 0,06% aufweist, wobei der Rest Eisen einschließlich erschmel­ zungsbedingter Verunreinigungen ist.

Nicht zwingend, jedoch vorteilhaft kann die Stahllegie­ rung ferner einen Niobanteil Nb zwischen 0,03% bis 0,05% aufweisen. Hierdurch wird eine interkristalline Korrosion verhütet und die Warmfestigkeit gesteigert.

Zweckmäßigerweise findet die partielle Nachwärmung am auf einer Fördereinrichtung fixierten Formbauteil statt, wie dies Anspruch 4 vorsieht. Auf diese Weise ist eine effi­ ziente Einbindung dieses Verfahrensschrittes in den Fer­ tigungsablauf möglich.

Grundsätzlich können für die erfindungsgemäße partielle Wärmebehandlung zur Duktilitätssteigerung alle geeigneten Wärmebehandlungsverfahren angewandt werden. Eine für die Praxis besonders vorteilhafte Maßnahme besteht nach den Merkmalen des Anspruchs 5 darin, die Wärmebehandlung auf induktivem Wege vorzunehmen.

Das induktive Verfahren bietet die Möglichkeit, die Er­ wärmung gezielt auf eine oder mehrere begrenzte Bereiche eines Formbauteils zu konzentrieren. Die Erwärmung wird präzise auf die in ihrer Duktilität zu erhöhenden Zonen beschränkt. Auch können durch geeignete Führung des In­ duktors und/oder des Formbauteils nahezu beliebige Konfi­ gurationen der duktilen Zonen erreicht werden.

Die partielle induktive Wärmebehandlung ist wirtschaft­ lich und es lassen sich hohe Durchsätze erzielen. Durch richtige Wahl der Frequenz der elektrischen Leistung und der Einwirkzeit lassen sich die gewünschten Duktilitäts­ eigenschaften herstellen. Dabei sind durch hohe Lei­ stungsdichten kürzeste Aufheizzeiten möglich. Diese sollte jedenfalls unterhalb von 30 Sekunden, vorzugsweise unter 25 Sekunden liegen, damit eine ungewünschte Beein­ flussung von Nachbarbereichen ausgeschlossen wird.

Den aufgezeigten Lösungen der der Erfindung zugrundelie­ genden Aufgabe ist der Kerngedanke gemein, die Steigerung der Duktilität partieller Bereich eines Formbauteils durch eine gezielte, auf die spätere Verwendung des Form­ bauteils als Kraftfahrzeugkomponente abgestimmte schnelle Erwärmung vorzunehmen. Die Erwärmung kann an der Aus­ gangsplatine, einem Zwischenformbauteil oder auch am end­ geformten Formbauteil vorgenommen werden, und zwar je­ weils vor oder auch nach der eigentlichen Vergütung. Da­ bei werden die gewünschten Bereiche in einer Zeit von we­ niger als 30 Sekunden, zweckmäßigerweise in einer Zeit zwischen 10 Sekunden und 25 Sekunden, auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C gebracht.

So kann in wirtschaftlicher Weise ein technisch hochwer­ tiges Formbauteil geschaffen werden, bei welchem sich die mechanischen Eigenschaften von hoher Festigkeit in den einen Bereichen und hoher Duktilität in den anderen Be­ reichen in synergetischer Weise vorteilhaft ergänzen.

Das Formbauteil weist überwiegend höchste Festigkeit mit geringem plastischem Verformungsvermögen bzw. Steifig­ keitsverhalten auf und besitzt eine oder mehrere Zonen geringerer Festigkeit, jedoch hoher Duktilität.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschla­ genen Verfahrensweise ist, daß ein naht- und stufenloser Übergang vom Bereich hoher Festigkeit zum duktilen Be­ reich und umgekehrt realisiert ist.

Als besonders zweckmäßig hat sich als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Formbauteile eine Stahllegierung erwiesen, welche in Gewichtsprozenten ausgedrückt einen Kohlenstoffanteil C zwischen 0,20% bis 0,30%, einen Si­ liziumanteil Si zwischen 0,15% bis 0,70%, einen Mangan­ anteil Mn zwischen 1,0% bis 2,50%, einen Phosphoranteil P von maximal 0,025%, einen Chromanteil Cr von 0,10% bis 0,80%, einen Molybdänanteil Mo zwischen 0,35% und 0,50%, einen Schwefelanteil S von maximal 0,010%, einen Titananteil Ti zwischen 0,03% bis 0,05%, einen Bor­ anteil B zwischen 0,002% bis 0,005% und einen Alumi­ niumanteil Al zwischen 0,02% bis 0,06% besitzt, wobei der Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Ver­ unreinigungen ist. Auch hier kann Niob Nb in einem Ge­ wichtsanteil zwischen 0,03% und 0,05% zulegiert sein.

Bei dieser Stahllegierung sind die Legierungskomponenten so aufeinander abstimmbar, daß höchste Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften eines Formbauteils hin­ sichtlich Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung erreicht werden. Gleichzeitig erlaubt dieser Ausgangs­ werkstoff eine Duktilitätserhöhung in bestimmbaren Berei­ chen durch partielles Erwärmen bzw. Nachwärmen in der er­ findungsgemäß vorgeschlagenen Vorgehensweise. In diesem Zusammenhang wird auch eine Stahllegierung der vorbe­ schriebenen Zusammensetzung als vorteilhaft angesehen, deren Kohlenstoffanteil zwischen 0,23% und 0,27%, deren Siliziumanteil Si zwischen 0,15% und 0,5%, deren Man­ gananteil Mn zwischen 1,10% und 1,40% und deren Chrom­ anteil Cr zwischen 0,15% und 0,35% liegt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Formbauteil mit einem breiten kurzen duktilen Bereich;

Fig. 2 eine erste Fertigungsfolge eines Formbau­ teils;

Fig. 3 zwei Formbauteile mit schmalen langen dukti­ len Bereichen und

Fig. 4 eine zweite Fertigungsfolge eines Formbau­ teils.

Die Fig. 1 zeigt technisch vereinfacht ein Formbauteil 1 für die Herstellung von Kraftfahrzeugkomponenten, bei­ spielsweise eines Türaufprallträgers oder Stoßfängers.

Das Formbauteil 1 weist einen breiten kurzen Bereich 2 auf, in dem der Werkstoff des Formbauteils 1 eine im Ver­ gleich zu den übrigen Bauteilbereichen 3, 3' wesentlich höhere Festigkeit besitzt. Damit verleihen die Bereiche 3, 3' dem Formbauteil 1 eine hohe Duktilität, wohingegen der Bereich 2 dem Formbauteil 1 eine Festigkeit verleiht.

Eine Fertigungsfolge für die Herstellung des Formbauteils 1 ist anhand der Fig. 2 erläutert.

Das Ausgangsmaterial wird in Bandform von einem Coil 4 abgezogen und in bedarfsgerechte Platinen 5 geteilt. Durch einen Induktor 6 als Teil der Anlage wird eine ge­ zielte Erwärmung partieller Bereiche 2 der Platine 5 durch elektromagnetische Einwirkung vorgenommen. Hierbei werden gezielt die Bereiche 2 in einer Zeit von weniger als 25 Sekunden auf eine Temperatur von 900°C gebracht. Anschließend wird die so wärmebehandelte Platine 5' in einem Pressenwerkzeug 7 zum Formbauteil 1 umgeformt. Nach der Umformung wird eine Vergütung des Formbauteils 1 im Pressenwerkzeug 7 vorgenommen.

Eine verfahrensmäßige Abwandlung der zuvor beschriebenen Fertigungsfolge besteht darin, daß die partielle Erwär­ mung an einem aus der Platine 5 vor- oder fertiggeformten Bauteil mittels Induktion in den Bereichen vorgenommen wird, die höhere Festigkeitseigenschaften aufweisen sol­ len. Die Vergütung im Pressenwerkzeug 7 geschieht dann im Vergleich zur oben beschriebenen Vorgehensweise mit redu­ zierten bzw. ohne Formoperationen. Gegebenenfalls findet nur ein Kalibrieren statt.

In der Fig. 3 sind zwei Formbauteile 8, 9 dargestellt mit Bereichen 10, 11 höherer Duktilität, welche lang und schmal ausgebildet sind und in Längsrichtung der Formbau­ teile 8, 9 verlaufen.

Die Fertigungsfolge solcher Formbauteile 8, 9 mit längs­ betonten duktilen Bereichen 10, 11 ist anhand der Fig. 4 schematisch beschrieben.

Von einem Coil 12 wird das Ausgangsmaterial abgezogen und in bedarfsgerechte Platinen 13 geteilt. Die Platinen 13 werden anschließend auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen erwärmt. Dies erfolgt, wie darge­ stellt, in einem Durchlaufofen 14. Diese Wärmevorbehand­ lung kann aber auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine induktive Erwärmung, vorgenommen werden. Hier­ bei wird die gesamte Platine 13 auf Temperatur gebracht. Nach dieser Wärmevorbehandlung wird eine Platine 13 im Pressenwerkzeug 15 zum Formbauteil 8, 9 endgeformt. Im Pressenwerkzeug finden auch erforderliche Vergütungsvor­ gänge statt.

Im Anschluß hieran werden die Formbauteile 8, 9 aufgenom­ men und auf einen Förderer 16 durch Fixierungen 17 lage­ orientiert. Auf dem Förderer 16 durchlaufen die Formbau­ teile 8, 9 eine Heizvorrichtung 18, in der durch einen Induktor 19 diejenigen Bereiche 10, 11, die eine höhere Duktilität aufweisen sollen, in kürzester Zeit auf eine Temperatur von ca. 600°C bis 800°C gebracht werden. An­ schließend werden die so erwärmten Bereiche 10, 11 lang­ sam abgekühlt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbau­ teils für Kraftfahrzeugkomponenten, welches Bereiche mit einer höheren Duktilität aufweist, bei welchem eine Platine (5) bereitgestellt wird aus einer Stahl­ legierung die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3%
Silizium (Si) 0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn) 1,0% bis 2,50%
Phosphor (P) maximal 0,025%
Chrom (Cr) 0,1% bis 0,8%
Molybdän (Mo) 0,1% 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 Ver­ unreinigungen besteht,
wobei zunächst partielle Bereiche (2) der Platine (5) in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C gebracht wer­ den, worauf die wärmebehandelte Platine (5') in einem Pressenwerkzeug (7) zum Formbauteil (1) umgeformt und dann der Formbauteil (1) im Pressenwerkzeug (7) ver­ gütet wird.

2. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbau­ teils für Kraftfahrzeugkomponenten, welches Bereiche mit einer höheren Duktilität aufweist, bei welchem eine Platine (5) bereitgestellt wird aus einer Stahl­ legierung die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3%
Silizium (Si) 0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn) 1,0% bis 2,50%
Phosphor (P) maximal 0,025%
Chrom (Cr) 0,1% bis 0,8%
Molybdän (Mo) 0,1% 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 Ver­ unreinigungen besteht,
wobei die Platine zunächst preßformtechnisch zu einem Zwischen- oder Formbauteil vor- oder endgeformt und anschließend partielle Bereiche des Zwischen- oder Formbauteils in einer Zeit von weniger als 30 Sekun­ den auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C gebracht werden, worauf der wärmebehandelte Zwischen- oder Formbauteil in einem Pressenwerkzeug (7) nachge­ preßt und/oder vergütet wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbau­ teils für Kraftfahrzeugkomponenten, welches Bereiche mit einer höheren Duktilität aufweist, bei welchem eine Platine (13) bereitgestellt wird aus einer Stahllegierung, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3%
Silizium (Si) 0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn) 1,0% bis 2,50%
Phosphor (P) maximal 0,025%
Chrom (Cr) 0,1% bis 0,8%
Molybdän (Mo) 0,1% 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 Ver­ unreinigungen besteht,
wobei die Platine zunächst auf eine Temperatur zwi­ schen 900°C und 950°C homogen erwärmt wird, worauf die Platine (13) in einem Pressenwerkzeug (15) zum Formbauteil (8, 9) umgeformt und dann der Formbauteil (8, 9) noch im Pressenwerkzeug (15) vergütet wird, und daß anschließend partielle Bereiche (10, 11) des Formbauteils (8, 9) in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C gebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die partielle Wärme­ behandlung am auf einer Fördereinrichtung (16) fi­ xierten Formbauteil (8, 9) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die partielle Wärmebehandlung durch induktive Erwärmung erfolgt.