EP1646459B2 - Verfahren zur herstellung eines pressgehärteten bauteils - Google Patents

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EP1646459B2
EP1646459B2 EP04741163.2A EP04741163A EP1646459B2 EP 1646459 B2 EP1646459 B2 EP 1646459B2 EP 04741163 A EP04741163 A EP 04741163A EP 1646459 B2 EP1646459 B2 EP 1646459B2
Authority
EP
European Patent Office
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component
coating
component blank
press
blank
Prior art date
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EP04741163.2A
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English (en)
French (fr)
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EP1646459B1 (de
EP1646459A1 (de
Inventor
Michael Bayer
Martin Brodt
Leonid Levinski
Victor Samoilov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
THERMISSION AG
Original Assignee
Thermission AG
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Publication date
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Application filed by Thermission AG filed Critical Thermission AG
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Application granted granted Critical
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Publication of EP1646459B2 publication Critical patent/EP1646459B2/de
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D35/00—Combined processes according to or processes combined with methods covered by groups B21D1/00 - B21D31/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/60—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/26—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/8305—Miscellaneous [e.g., treated surfaces, etc.]

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a press-hardened component.
  • Such a material is e.g. the precoated boron steel marketed by Usinor under the trader Usibor 1500.
  • the steel is provided with an AlSi coating which, among other things, exhibits advantageous corrosion-inhibiting properties in the course of the subsequent heat treatment.
  • the component is subjected to a preforming cut or a trimming step before the actual hot forming.
  • a preforming cut or a trimming step before the actual hot forming.
  • This is for example in the DE 101 49 221 C1 described.
  • a method may cause corrosion problems because a commonly applied tape coating will be damaged during preforming.
  • the object of the invention is to specify a press-hardened component as well as a production method for press-hardened components, which enables reliable corrosion protection for precoated, hot-workable steels.
  • An embodiment of the process according to the invention for the production of press-hardened components comprises the following processing steps: from the precoated semi-finished product, a component blank is formed by a cold forming process, in particular a drawing process; the component blank is trimmed at the edge on a part of the wall to be produced approximately corresponding boundary contour; the trimmed component blank is heated and press-hardened in a hot-forming tool; the press-hardened component blank is coated with a corrosion-protecting layer in a coating step, wherein the second layer is applied to the press-hardened component blank by a thermal diffusion method, and wherein the second layer is deposited on both the pre-coating and uncoated areas of the component blank is deposited.
  • this embodiment of the invention makes it possible to design the component manufacturing process in such a way that it is possible to dispense with the procedurally complex and costly final trimming of the hardened component.
  • the edge regions are therefore already cut in the uncured state of the component and not only - as usual in hot forming usual - after the heating and hardening process.
  • By pruning the workpiece already in the soft state significantly lower cutting forces are required than for cold-cutting hardened materials, resulting in reduced tool wear and a reduction in the maintenance cost of the cutting tools.
  • the risk of rapid cracking due to the high notch sensitivity of these materials is significantly reduced when trimming the high strength material in the uncured state.
  • the pre-coating provided on the semifinished product avoids scaling of the trimmed component blank in the hardening process, and the requirements for an inert atmosphere during curing can be reduced. In addition, the pre-coating prevents decarburization of the material during curing.
  • a further layer which protects against corrosion is applied, so that the component is completely coated, ie also at the edges.
  • the layer is applied to the press-hardened component blank by a thermal diffusion method, a readily controllable method can be used, with which preferably a layer of zinc or a zinc alloy can be applied, which is also suitable for complex component geometries and edge layering is.
  • the layer thickness can be adjusted selectively between a few microns and over 100 microns. A thermal load of the component is low.
  • Components can be coated regardless of their size, dimensions, configuration, complexity and weight.
  • a cleaning before the coating step with a dry cleaning, in particular blasting of the press-hardened component blank with glass particles or zinc particles, can be omitted, since the precoating a scaling of the component blank during hot forming substantially omitted thereby a process step is saved; In addition, it is avoided that a small, but possibly disturbing component distortion is caused by a blasting of the components with particles.
  • a good adhesion between the two coatings results.
  • the second layer applied to the first layer of the precoat provides edge coating and coating of those areas where the first layer of the precoat e.g. was chipped in the pre-forming or cracked due to excessive friction.
  • the component blank is cleaned of residues after the coating step, for example with ultrasound, and passivated, a surface is formed which gives a good primer for coatings, in particular primers of paints or coatings themselves
  • the component blank is tempered after the coating step. It is particularly advantageous if the component blank is coated with a zinc-containing layer because an oxide is formed on the surface, which is suitable as a primer.
  • a press-hardened component in particular a body component, from a semifinished product of unhardened, hot-workable steel sheet, which has been produced according to at least one embodiment of the method according to the invention, is particularly suitable for mass production with a corresponding series production and combines a favorable weight reduction of the component with excellent corrosion protection.
  • FIGS. 1a to 1e schematically show an inventive method for producing a spatially shaped, press-hardened component 1 from a semifinished product 2.
  • a board 3 is used as a semifinished product 2, which is cut out of a developed coil 5.
  • a composite sheet are used, as for example in the DE 100 49 660 A1 is described and which consists of a base plate and at least one reinforcing plate.
  • a Taylored Blank can be used, which consists of several welded together sheets of different material thickness and / or different material properties.
  • the semifinished product 2 may be a three-dimensionally shaped sheet-metal part produced by any forming process which is to undergo further deformation and a strength and / or rigidity increase with the aid of the method according to the invention.
  • the semifinished product 2 consists of an unhardened, hot-forming steel sheet.
  • a particularly preferred material is a boron-containing tempering steel, e.g. Usibor 1500, Usibor 1500 P or Usibor 1500 PC, which are distributed by the company Usinor under these trade names.
  • the board 3 ( Fig. 1a ) from a developed and straightened Section of a coil 5 cut out of a precoated, hot-forming sheet.
  • the coating is a coating of aluminum or an aluminum alloy, in particular a silicon-containing aluminum alloy AlSi.
  • the thermoformable material is at this time in an uncured state, so that board 3 can be easily cut using conventional mechanical cutting means 4, for example a scissors.
  • the cutting of the board 3 is advantageously carried out with the help of a platinum press 6, which ensures an automated feed of the coil 5 and an automatic punching and removal of the cut-out board 3.
  • the cut out in this way board 3 is in 2a shown in a schematic perspective view.
  • the cut-out blanks 3 are deposited on a stack 7 and fed in stacked form to a cold-forming station 8 (FIG. Fig. 1b ).
  • a component blank 10 is formed in a second process step II from the circuit board 3 by means of the cold forming tool 8, for example a two-stage deep drawing tool 9.
  • the board 3 has edge regions 11 which protrude beyond an outer contour 12 of the component 1 to be molded.
  • the component blank 10 is formed close to the final contour.
  • near-net shape should be understood to mean that those parts of the geometry of the finished component 1 which are associated with a macroscopic flow of material are completely formed in the component blank 10 after the cold-forming process has been completed. After completion of the cold forming process, only slight conformations of shape are required to produce the three-dimensional shape of the component 1, which require a minimum (local) material flow; the component blank 10 is in Fig. 2b shown.
  • the near-net shape shaping can take place in a single deep-drawing step, or it can take place in several stages ( Fig. 1b ).
  • the component blank 10 is inserted into a cutting device 15 and cut there (process step III, Hg. 1c).
  • the material is still in the uncured state at this time, so trimming can be accomplished by conventional mechanical cutting means 14 such as cutting knives, folding and / or punching tools.
  • a separate cutting device 15 may be provided.
  • the cutting means 14 may be integrated into the last stage 9 'of the deep-drawing tool 9, so that in the last deep-drawing stage 9' in addition to the final shaping of the sheet metal blank 10, the edge trimming takes place.
  • the process steps II and III are integrated in a single processing station, in which the forming and cutting is carried out fully automatically.
  • the removal of the component blank 17 from the processing station can be automated or there may be a manual removal and stacking of the component blanks 17.
  • the trimmed component blank 17 is subjected to hot working in a hot forming area 26, in the course of which it is formed and hardened to a final shape of the component 1.
  • the trimmed component blank 17 is inserted by a manipulator 20 in a continuous furnace 21, where it is heated to a temperature which is above the structural transformation temperature in the austenitic state; Depending on the grade of steel, this corresponds to heating to a temperature between 700 ° C and 1100 ° C.
  • a favorable range is between 900 ° C and 1000 ° C.
  • the atmosphere of the continuous furnace can be rendered inert by the addition of a protective gas, but the precoating of the blanks 3 already prevents at least a full-surface scaling of the blank surface.
  • the uncoated interfaces of the edge contour 12 'of the trimmed component blanks 17 represent only a very small area ratio of the component blank 17, so that adhesion of a layer applied later is virtually unaffected.
  • a suitable inert gas for inertization is e.g. Carbon dioxide or nitrogen.
  • the heated trimmed component blank 17 is then inserted by means of a manipulator 22 in a hot-forming tool 23, in which the three-dimensional shape and the edge contour 12 'of the trimmed component blank 17 are brought to their desired level. Since the trimmed component blank 17 already has near net shape dimensions, only a slight adaptation of the shape is necessary during hot forming.
  • the hot forming tool 23 the trimmed component blank 17 is finished and rapidly cooled, whereby a fine-grained martensitic or bainitic Weikstoffge Stahlge isIchelit. This step corresponds to a hardening of the component blank 18 and allows a targeted adjustment of the material strength. Details of such a curing process are eg in the DE 100 49 660 A1 described.
  • the hardened component blank 18 is taken out of the hot forming tool 23 with a manipulator and optionally stacked until further processing. Because of the near-contour near the Warnumform process trimming the component blank 10 and the shape adjustment of the edge contour 12 'in hot forming tool 23, the component 18 after completion of the hot forming process already the desired outer contour 24 of the finished component 1, so that after the hot forming no time-consuming trimming the edge of the component is necessary.
  • the component blank 18 can be quenched in a cooled hot forming tool 23. Since the surface is not scaled by the layer 33 of the precoating, a subsequent cleaning can be omitted.
  • the cycle times in the production method are advantageously short.
  • the cooling of the component blank 18 is a possible bottleneck.
  • air-hardening or water-hardening materials for the components 1 can be used.
  • the component blank 18 then only needs to cool down until a sufficient heat resistance, rigidity and associated dimensional accuracy of the component blank 18 is reached. Then, the component blank 18 can be removed from the tool 23, so that the further heat treatment process takes place in the air or in water outside of the tool 23, which then very quickly after a few seconds again for receiving further component blanks 17 is available
  • the press-hardened component blank 18 is coated in a coating process with a corrosion of the component 1 preventing layer 34.
  • drums 31 are charged with the press-hardened component blanks 18 and a zinc-containing powder, preferably a zinc alloy or a zinc-containing mixture, closed and introduced into a coating installation 30.
  • the component blanks 18 are heated slowly at about 5-10 K / min with slow rotation of the drums 31 to about 300 ° C.
  • the zinc or zinc alloy is distributed substantially homogeneously over the entire surface of the component blanks 18 and bonds to the surface.
  • a uniform layer thickness arises on the component blanks 18, which can be set arbitrarily between a few ⁇ m and more than 100 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 120 ⁇ m.
  • the layer 34 is weldable and gives a tensile strength that can be more than 1300 MPa for a component 1 made of BTR 165. In the thermal diffusion process virtually no residues or emissions to the environment.
  • the coating process is completed with a passivation process in an adjacent passivation station 35, in which the drums 31 are discharged from the coating system 30, cooled in a cooling station 36, ultrasonically freed of residues of the coating powder in a cleaning station 37 and in a tempering station 38 at a temperature of about 200 ° C for about 1 h, wherein the layer 34 is passivated.
  • suitable passivating additives may also be added. Then the finished corrosion-protected components 1 can be removed from the drum 31.
  • the press-hardened, coated component 1 is particularly suitable as a body component in vehicle construction, which are produced in large quantities.
  • the method according to the invention enables advantageous process control with short cycle times, all process steps have industrialization potential.
  • a precoated material it is possible to use conventional pre-forming.
  • a conventional forming and trimming is possible even with high-strength materials, so that - when using the manufacturing process according to FIG. 1 -
  • the costly laser cutting can be replaced at high volumes costly.
  • Sheet metal components can be protected by this manufacturing method already in the development by conventional forming simulation on their production.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils.
  • An Steifigkeit und Festigkeit von Karosseriebauteilen werden im Fahrzeugbau zunehmend hohe Anforderungen gestellt. Gleichzeitig wird jedoch im Interesse einer Gewichtsminimierung eine Verringerung der Materialdicke angestrebt. Eine Lösung zur Erfüllung der widersprüchlichen Anforderungen bieten hochfeste und höchstfeste Stahlwerkstoffe, welche die Herstellung von Bauteilen mit sehr hohen Festigkeiten bei gleichzeitiger geringer Materialdicke ermöglichen. Durch eine geeignete Wahl von Prozessparametem während eines bei diesen Werkstoffen üblichen Warmumformers können Festigkeits- und Zähigkeitswerte eines Bauteils gezielt eingestellt werden.
  • Ein solcher Werkstoff ist z.B. der von der Firma Usinor unter dem Handelsmann Usibor 1500 vertriebene vorbeschichtete Borstahl. Der Stahl ist mit einer AlSi-Beschichtung versehen, die unter anderem im Rahmen der späteren Wärmebeharidlung vorteilhafte korrosionshemmende Eigenschaften zeigt.
  • Zur Herstellung eines solchen Bauteils mit Hilfe der Warmumformung wird zunächst aus einem Coil eine Platine ausgeschnitten, die anschließend Oberhalb der Gefügeumwandlungstemperatur des Stahlwerkstoffs, Oberhalb derer das Werkstoffgefüge im austenitischen Zustand vorliegt, erwärmt, im erwärmten Zustand in ein Umformwerkzeug eingelegt und in die gewünschte Bauteilform umgeformt und unter mechanischer Fixierung des gewünschten Umformzustands abgekühlt, wobei eine Vergütung bzw. Härtung des Bauteils erfolgt.
  • Die Herstellung eines Struktur-Bauteils durch Warmumformung ist beispielsweise aus DE 10135647 A1 , WO 2004/033126 A1 und DE 100 49 660 A1 bekannt.
  • Oftmals wird das Bauteil vor der eigentlichen Warmumformung einem Vorformschnitt oder einem Beschneidungsschritt unterzogen. Dies ist beispielsweise in der DE 101 49 221 C1 beschrieben. Ein solches Verfahren kann jedoch Probleme hinsichtlich der Korrosion zur Folge haben, da eine üblicherweise aufgebrachte Bandbeschichtung beim Vorformen beschädigt wird. Ein übliches Vorformen und Beschneiden der Bauteile besonders bei vorbeschichteten hochfesten Stählen wie Usibor 1500 PC, welcher eine AlSi-Beschichtung aufweist, wird daher unterlassen.
  • Aufgabe der Erfindung ist, ein pressgehärtetes Bauteil sowie ein Herstellverfahren für pressgehärtete Bauteile anzugeben, welches einen sicheren Korrosionsschutz für vorbeschichtete, warm umformbare Stähle ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 gelöst.
  • Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung von pressgehärteten Bauteilen umfasst die folgenden Verfahrungsschritte: aus dem vorbeschichteten Halbzeug wird durch ein Kaltumformverfahren, insbesondere ein Ziehverfahren, ein Bauteil-Rohling geformt; der Bauteil-Rohling wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Berandungskontur beschnitten; der beschnittene Bauteil-Rohling wird erwärmt und in einem Warmumform-Werkzeug pressgehärtet; der pressgehärtete Bauteil-Rohling wird in einem Beschichtungsschritt mit einer vor Korrosion schützenden Schicht überzogen, wobei die zweite Schicht mit einem thermischen Diffusions-Verfahren auf den pressgehärteten Bauteil-Rohling aufgebracht wird, und wobei die zweite Schicht sowohl auf der Vorbeschichtung als auch auf unbeschichteten Bereichen des Bauteil-Rohlings abgeschieden wird.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht einerseits, den Bauteil-Herstellungsprozess so zu gestalten, dass auf die verfahrenstechnisch aufwändige und kostenintensive abschließende Beschneiden des gehärteten Bauteils verzichtet werden kann. Die Randbereiche werden daher bereits im ungehärteten Zustand des Bauteils abgeschnitten und nicht erst - wie herkömmlicherweise beim Warmumformen üblich - nach dem Erwärmungs- und Härteprozess. Indem das Werkstück bereits im weichen Zustand beschnitten wird, sind wesentlich geringere Schneidkräfte als zum kalten Schneiden gehärteter Werkstoffe erforderlich, was zu einem verminderten Werkzeugverschleiß und zu einer Reduktion der Instandhaltungskosten der Schneidwerkzeuge führt. Weiterhin wird beim Beschneiden des hochfesten Werkstoffs im ungehärteten Zustand die Gefahr einer schnellen Rissbildung aufgrund der hohen Kerbempfindlichkeit dieser Werkstoffe erheblich reduziert.
  • Die auf dem Halbzeug vorgesehene Vorbeschichtung vermeidet ein Verzundern des beschnittenen Bauteil-Rohlings bei dem Härteprozess, und die Anforderungen an eine inerte Atmosphäre beim Härten können verringert werden. Außerdem verhindert die Vorbeschichtung eine Entkohlung des Werkstoffs beim Härten. Nach dem Härteprozess wird erfindungsgemäß eine weitere vor Korrosion schützende Schicht aufgebracht, so dass das Bauteil vollständig, also auch an den Kanten, beschichtet ist.
  • Wird die Schicht mit einem thermischen Diffusions-Verfahren auf den pressgehärteten Bauteil-Rohling aufgebracht, kann ein gut steuerbares Verfahren eingesetzt werden, mit dem vorzugsweise eine Schicht aus Zink oder einer Zinklegierung aufgebracht werden kann, das auch für komplexe Bauteil-Geometrien und zur Kantenschichtung geeignet ist. Die Schichtdicke kann gezielt zwischen einigen µm und über 100 µm eingestellt werden. Eine thermische Belastung des Bauteils ist gering. Bauteile können unabhängig von ihrer Größe, den Abmessungen, Konfiguration, Komplexität und Gewicht beschichtet werden. Eine Reinigung vor dem Beschichtungsschritt mit einer Trockenreinigung, insbesondere ein Strahlen des pressgehärteten Bauteil-Rohlings mit Glaspartikeln oder Zinkpartikeln, kann entfallen, da durch die Vorbeschichtung ein Verzundern des Bauteil-Rohlings bei der Warmumformung im wesentlichen unterbleibt Dadurch wird ein Prozessschritt eingespart; zusätzlich wird vermieden, dass ein zwar geringer, aber möglicherweise störender Bauteilverzug durch ein Strahlen der Bauteile mit Partikeln entsteht.
  • Bei einer Vorbeschichtung mit einer aluminiumhaltigen Schicht, vorzugsweise aus AlSi, und einer zinkhaltigen Beschichtung ergibt sich eine gute Haftung zwischen den beiden Beschichtungen. Zusätzlich ergibt sich ein guter Schutz des Werkstoffs gegen Wasserstoffversprödung, gegen die insbesondere Zink den Werkstoff schützen kann. Die zweite Schicht, die auf die erste Schicht der Vorbeschichtung aufgebracht ist, sorgt für eine Kantenbeschichtung und für eine Beschichtung solcher Bereiche, bei denen die erste Schicht der Vorbeschichtung z.B. bei der Vor-Umformung abgeplatzt ist oder durch zu hohe Reibung rissig wurde.
  • Wird der Bauteil-Rohling nach dem Beschichtungsschritt von Rückständen gereinigt, beispielsweise mit Ultraschall, und passiviert, wird eine Oberfläche gebildet die einen guten Haftgrund für Beschichtungen, insbesondere Grundierungen von Lacken oder Lacke selbst, ergibt
  • Vorteilhaft wird der Bauteil-Rohling nach dem Beschichtungsschritt getempert. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Bauteil-Rohling mit einer zinkhaltigen Schicht beschichtet ist da an der Oberfläche ein Oxid gebildet, wird, welches als Haftgrund geeignet ist.
  • Ein pressgehärtetes Bauteil, insbesondere ein Karosseriebauteil, aus einem Halbzeug aus ungehärtetem warm umformbaren Stahlblech, das nach zumindest einer der Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, ist besonders geeignet, mit einer entsprechenden Serienfertigung in großen Stückzahlen hergestellt zu werden und verbindet eine vorteilhafte Gewichtsminderung des Bauteils mit einem ausgezeichneten Korrosionsschutz.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
  • Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Verfahrens eines pressgehärteten Bauteils mit 1a: Zuschneiden der Platine (Schritt I); 1b; Kaltumformung (Schritt II); 1c: Beschneiden der Ränder (Schritt III); 1d: Warmumformung (Schritt IV); 1e: Beschichtung (Schritt V);
    Fig. 2
    perspektivische Ansichten ausgewählter Zwischenstufen bei der Herstellung eines Bauteils mit 2a: ein vorbeschichtetes Halbzeug; 2b: ein daraus geformter Bauteil-Rohling; 2c: ein beschnittener Bauteil-Rohling; 2d: ein beschichteter Bauteil- Rohling;
  • Die Figuren 1a bis 1e zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines räumlich geformten, pressgehärteten Bauteils 1 aus einem Halbzeug 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Halbzeug 2 eine Platine 3 verwendet, welche aus einem abgewickelten Coil 5 ausgeschnitten wird. Alternativ kann als Halbzeug 2 auch ein Verbundblech zum Einsatz kommen, wie es z.B. in der DE 100 49 660 A1 beschrieben ist und das aus einem Basisblech und mindestens einem Verstärkungsblech besteht. Weiterhin kann als Halbzeug 2 auch ein Taylored Blank verwendet werden, welches aus mehreren zusammen geschweißten Blechen unterschiedlicher Materialstärke und/oder unterschiedlicher Materialbeschaffenheit besteht. Alternativ kann das Halbzeug 2 ein durch ein beliebiges Umformverfahren hergestelltes dreidimensional geformtes Blechteil sein, welches mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine weitere Umformung sowie eine Festigkeits- und/oder Steifigkeitserhöhung erfahren soll.
  • Das Halbzeug 2 besteht aus einem ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech. Ein besonders bevorzugter Werkstoff ist ein borhaltiger Vergütungsstahl, z.B. Usibor 1500, Usibor 1500 P oder Usibor 1500 PC, welche von der Firma Usinor unter diesen Handelsnamen vertrieben werden.
  • In einem ersten Prozessschritt I wird die Platine 3 (Fig. 1a) aus einem abgewickelten und gerade gerichteten Abschnitt eines Coils 5 aus einem vorbeschichteten, warm umformbaren Blech ausgeschnitten. Vorzugsweise ist die Beschichtung eine Beschichtung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung AlSi. Der warm umformbare Werkstoff befindet sich zu diesem Zeitpunkt in einem ungehärteten Zustand, so dass Platine 3 problemlos mit Hilfe konventioneller mechanischer Schneidmittel 4, z.B. einer Hubschere, ausgeschnitten werden kann. Im Großserieneinsatz erfolgt das Zuschneiden der Platine 3 vorteilhafterweise mit Hilfe einer Platinenpresse 6, welche eine automatisierte Zuführung des Coils 5 und ein automatisches Ausstanzen und Abführen der ausgeschnittenen Platine 3 gewährleistet. Die auf diese Weise ausgeschnittene Platine 3 ist in Fig.2a in einer schematischen perspektivischen Ansicht dargestellt.
  • Die ausgeschnittenen Platinen 3 werden auf einem Stapel 7 abgelegt und in gestapelter Form einer Kaltumformstation 8 zugeführt (Fig. 1b). Hier wird in einem zweiten Prozessschritt II aus der Platine 3 mit Hilfe des Kaltumform-Werkzeugs 8, beispielsweise einem zweistufigen Tiefziehwerkzeug 9, ein Bauteil-Rohling 10 geformt. Um eine qualitativ hochwertige Ausformung der Bauteilgeometrie gewährleisten zu können, weist die Platine 3 Randbereiche 11 auf, die über eine Außenkontur 12 des zu formenden Bauteils 1 hinausragen. Im Rahmen dieses Kaltumformprozesses (Prozessschritt II) wird der Bauteil-Rohling 10 endkonturnah ausgeformt. Unter "endkonturnah" soll dabei verstanden werden, dass diejenigen Teile der Geometrie des fertigen Bauteils 1. welche mit einem makroskopischen Materialfluss einhergehen, nach Abschluss des Kaltumformprozesses vollständig in den Bauteil-Rohling 10 eingeformt sind. Nach Abschluss des Kaltumformprozesses sind somit zur Herstellung der dreidimensionalen Form des Bauteils 1 nur noch geringe Formanpassungen notwendig, welche einen minimalen (lokalen) Materialfluss erfordern; der Bauteil-Rohling 10 ist in Fig. 2b dargestellt.
  • Je nach Komplexität des Bauteils 1 kann die endkonturnahe Formgebung in einem einzigen Tiefziehschritt erfolgen, oder sie kann mehrstufig erfolgen (Fig. 1b). Anschließend an den Kaltumformprozess wird der Bauteil-Rohling 10 in eine Schneidvorrichtung 15 eingelegt und dort beschnitten (Prozessschritt III, Hg. 1c). Der Werkstoff befindet sich zu diesem Zeitpunkt immer noch im ungehärteten Zustand, daher kann das Beschneiden mit Hilfe konventioneller mechanischer Schneidmittel 14, wie etwa Schneidmesser, Abkant- und/oder Stanzwerkzeugen, erfolgen.
  • Für das Beschneiden kann, wie in Fig. 1c gezeigt, eine separate Schneidvorrichtung 15 vorgesehen sein. Alternativ können die Schneidmittel 14 in die letzte Stufe 9' des Tiefziehwerkzeugs 9 integriert sein, so dass in der letzten Tiefziehstufe 9' zusätzlich zu der Fertigformung des Blechteil-Rohlings 10 auch das randseitige Beschneiden erfolgt.
  • Durch den Kaltumformprozess und das Beschneiden (Prozessschritte II und III) wird aus der Platine 3 ein endkonturnah beschnittener Bauten-Rohling 17 hergestellt der sowohl in Bezug auf seine dreidimensionale Form als auch in Bezug auf seine Randkontur 12' nur wenig von der gewünschten Form des Bauteils 1 abweicht. Die abgeschnittenen Randbereiche 11 werden in der Schneidvorrichtung 15 abgeführt; der Bauteil-Rohling 17 (Fig. 2c) wird mit Hilfe eines Manipulators 19 aus der Schneidvorrichtung 15 entnommen und dem nächsten Prozessschritt IV zugeführt.
  • In einer besonders vorteilhaften Alternative sind die Prozessschritte II und III in einer einzigen Bearbeitungsstation integriert, in der das Umformen und Schneiden vollautomatisch vorgenommen wird. Die Entnahme des Bauteil-Rohlings 17 aus der Bearbeitungsstation kann automatisiert erfolgen oder es kann eine manuelle Entnahme und Abstapelung der Bauteil-Rohlinge 17 erfolgen.
  • In dem folgenden Prozessschritt IV (Fig. 1d) wird der beschnittene Bauteil-Rohling 17 einer Warmumformung in einem Warmumformbereich 26 unterzogen, im Rahmen derer er auf eine endgültige Form des Bauteils 1 ausgeformt und gehärtet wird. Der beschnittene Bauteil-Rohling 17 wird von einem Manipulator 20 in einen Durchlaufofen 21 eingelegt, wo er auf eine Temperatur erhitzt wird, die oberhalb der Gefügeumwandlungstemperatur in den austenitischen Zustand liegt; je nach Stahlsorte entspricht dies einer Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 700°C und 1100°C. Für einen bevorzugten Werkstoff eines borhaltigen Stahls, insbesondere Usibor 1500P, ist ein günstiger Bereich zwischen 900°C und 1000°C. Die Atmosphäre des Durchlaufofens kann durch Zugabe eines Schutzgases inertisiert werden, durch die Vorbeschichtung der Platinen 3 wird jedoch bereits zumindest ein ganzflächiges Verzundern der Rohlingsoberfläche verhindert.
  • Die unbeschichteten Schnittstellen der Randkontur 12' der beschnittenen Bauteil-Rohlinge 17 stellen nur einen sehr geringen Flächenanteil des Bauteil-Rohlings 17 dar, so dass eine Haftung einer später aufgebrachten Schicht praktisch nicht beeinflusst wird. Ein geeignetes Schutzgas zur Inertisierung ist z.B. Kohlendioxid oder Stickstoff.
  • Der erhitzte beschnittene Bauteil-Rohling 17 wird dann mit Hilfe eines Manipulators 22 in ein Warmumform-Werkzeug 23 eingelegt, in dem die dreidimensionale Gestalt und die Randkontur 12' des beschnittenen Bauteil-Rohlings 17 auf ihr gewünschtes Maß gebracht werden. Da der beschnittene Bauteil-Rohling 17 bereits endkonturnahe Maße aufweist, ist während der Warmumformung nur noch eine geringe Formanpassung notwendig. Im Warmumform-Werkzeug 23 wird der beschnittene Bauteil-Rohling 17 fertig geformt und schnell abgekühlt, wodurch ein feinkörniges martensitisches oder bainitisches Weikstoffgefüge eingestelit wird. Dieser Schritt entspricht einer Härtung des Bauteil-Rohlings 18 und ermöglicht eine gezielte Einstellung der Werkstofffestigkeit. Einzelheiten eines solchen Härtungsprozesses sind z.B. in der DE 100 49 660 A1 beschrieben. Es kann sowohl der ganze Bauteil-Rohling 17 gehärtet werden, als auch lediglich lokal an ausgewählten Stellen des Bauteil-Rohlings 17 eine Härtung vorgenommen werden. Ist der gewünschte Härtungsgrad des Bauteil-Rohlings 18 erreicht, wird der gehärtete Bauteil-Rohling 18 mit einem Manipulator aus dem Warmumform-Werkzeug 23 genommen und gegebenenfalls bis zur weiteren Verarbeitung gestapelt. Wegen dem dem Warnumform-Prozess vorgelagerten endkonturnahen Beschneiden des Bauteil-Rohlings 10 sowie der Formanpassung der Randkontur 12' im Warmumform-Werkzeug 23 weist das Bauteil 18 nach Abschluss des Warmumform-Prozesses bereits die gewünschte Außenkontur 24 des fertigen Bauteils 1 auf, so dass nach der Warmumformung kein zeitaufwändiges Beschneiden des Bauteilrandes notwendig ist.
  • Um eine schnelle Abschreckung des Bauteil-Rohlings 18 im Zuge der Warmumformung zu erreichen, kann der Bauteil-Rohling 18 in einem gekühlten Warmumform-Werkzeug 23 abgeschreckt werden. Da die Oberfläche durch die Schicht 33 der Vorbeschichtung nicht verzundert, kann eine anschließende Reinigung entfallen.
  • Da kein Laserschneiden des gehärteten Bauteil-Rohlings 18 erfolgen muss, sind die Taktzeiten im Fertigungsverfahren vorteilhaft kurz. Im Verfahrensablauf ist nunmehr das Abkühlen des Bauteil-Rohlings 18 ein möglicher Engpass. Um diesen zu entschärfen, können lufthärtende oder wasserhärtende Werkstoffe für die Bauteile 1 eingesetzt werden. Der Bauteil-Rohling 18 braucht dann nur soweit abzukühlen, bis eine ausreichende Warmfestigkeit, Steifigkeit und damit verbundene Maßhaltigkeit des Bauteil-Rohlings 18 erreicht ist. Dann kann der Bauteil-Rohling 18 aus dem Werkzeug 23 entnommen werden, so dass der weitere Wärmebehandlungsvorgang an der Luft oder in Wasser außerhalb des Werkzeugs 23 erfolgt, das dann nach einigen Sekunden sehr schnell wieder zur Aufnahme weiterer Bauteil-Rohlinge 17 zur Verfügung steht
  • In einem weiteren Prozessschritt V (Fig. 1e) wird der pressgehärtete Bauteil-Rohling 18 in einem Beschichtungsverfahren mit einer eine Korrosion des Bauteils 1 verhindernden Schicht 34 überzogen. Dazu werden Trommeln 31 mit den pressgehärteten Bauteil-Rohlingen 18 sowie einem zinkhaltigen Pulver, vorzugsweise eine Zinklegierung oder eine zinkhaltige Mischung, beschickt, geschlossen und in eine Beschichtungsanlage 30 eingebracht. Dort werden die Bauteil-Rohlinge 18 langsam mit etwa 5-10 K/min unter langsamer Rotation der Trommeln 31 auf etwa 300°C erwärmt. In diesem thermischen Diffusionsverfahren verteilt sich das Zink bzw. die Zinklegierung im wesentlichen homogen über die gesamte Oberfläche der Bauteil-Rohlinge 18 und verbindet sich mit der Oberfläche. Bei einer aluminiumhaltigen Vorbeschichtung der Platinen 3 bildet sich eine ausgezeichnete Haftung zwischen der Vorbeschichtung, insbesondere AlSi und der zinkhaltigen Schicht 34 aus. Gleichzeitig werden auch die unbeschichteten Schnittkanten mit der zinkhaltigen Schicht 34 überzogen.
  • In Abhängigkeit der Zusammensetzung des Pulvers, der Zeit und der Temperatur stellt sich auf den Bauteil-Rohlingen 18 eine gleichmäßige Schichtdicke ein, die beliebig zwischen einigen µm und über 100 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 120 µm, eingestellt werden kann. Die Schicht 34 ist schweißbar und ergibt eine Zugfestigkeit, die für ein Bauteil 1 aus BTR 165 mehr als 1300 MPa betragen kann. Bei dem thermischen Diffusionsverfahren fallen praktisch keine Rückstände oder Emissionen in die Umwelt an.
  • Das Beschichtungsverfahren wird mit einem Passivierungsvorgang in einer angrenzenden Passivierungsstation 35 abgeschlossen, bei dem die Trommeln 31 aus der Beschichungsanlage 30 ausgeschleust, in einer Kühlstation 36 gekühlt, in einer Reinigungsstation 37 mit Ultraschall von Rückständen des Beschichtungspulvers befreit und in einer Temperstation 38 bei einer Temperatur von etwa 200°C für etwa 1 h getempert werden, wobei die Schicht 34 passiviert wird. Gegebenenfalls können auch geeignete Passivierungszusätze zugegeben werden. Dann können die fertigen korrosionsgeschützten Bauteile 1 aus der Trommel 31 entnommen werden.
  • Das pressgehärtete, beschichtete Bauteil 1 ist insbesondere als Karosseriebauteil im Fahrzeugbau geeignet, welche in großen Stückzahlen hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vorteilhafte Prozessführung mit kurzen Taktzeiten, alle Prozessschritte haben Industrialisierungspotential. Trotz Verwendung eines vorbeschichteten Werkstoffs Ist ein Einsatz einer konventionellen Vor-Umformung möglich. Durch das nachträgliche Aufbringen eines zusätzlichen Korrosionsschutzes wird ein konventionelles Umformen und Beschneiden auch bei hochfesten Werkstoffen möglich, so dass - bei Verwendung des Herstellungsverfahrens gemäß Figur 1 - das bei großen Stückzahlen aufwändige Laserschneiden kostengünstig ersetzt werden kann. Blechbauteile können durch diese Fertigungsmethode bereits in der Entwicklung durch konventionelle Umform-Simulation auf Ihre Herstellung abgesichert wenden. Hinzu kommt eine günstige Verbindung der Korrosionsschutzelgenschaften der Vorbeschichtung 33 einerseits mit denen der Schicht 34 mit dem Vorteil der Kantenbeschichtung, insbesondere bei AlSi-Schichten 33 in Verbindung mit Zinkschichten 34. In einem Fahrzeug wiederum, das aus solchen Bauteilen gefügt ist, wird der Kraftstoffverbrauch durch die Verminderung des Gewichts der Bauteile gesenkt, da diese wesentlich dünner sein können als konventionelle Blechteile, während gleichzeitig die passive Sicherheit erhöht wird, da die Bauteile eine sehr hohe Festigkeit aufweisen.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung von pressgehärteten Bauteilen, insbesondere eines Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug (2) aus ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
    - aus dem mit einer ersten Schicht (33) vorbeschichteten Halbzeug (2) wird durch ein Kaltumformverfahren, insbesondere ein Ziehverfahren, ein Bauteil-Rohling (10) geformt;
    - der Bauteil-Rohling (10) wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil (1) näherungsweise entsprechende Randkontur (12') beschnitten;
    - der beschnittene Bauteil-Rohling (17) wird erwärmt und in einem Warmumform-Werkzeug (23) pressgehärtet;
    - der pressgehärtete Bauteil-Rohling (18) wird in einem Beschichtungsschritt mit einer zweiten, vor Korrosion schützenden Schicht (34) überzogen, wobei die zweite Schicht (34) mit einem thermischen Diffusions-Verfahren auf den pressgehärteten Bauteil-Rohling (18, 18') aufgebracht wird, und wobei die zweite Schicht (34) sowohl auf der Vorbeschichtung (33) als auch auf unbeschichteten Bereichen des Bauteil-Rohlings (18, 18') abgeschieden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Bauteil-Rohling (18, 18') nach dem Beschichtungsschritt von Rückständen des Beschichtungsschritts gereinigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Bauteil-Rohling (18, 18') nach dem Beschichtungsschritt getempert wird.
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