EP2143808B1 - Partielles Warmformen und Härten mittels Infrarotlampenerwärmung - Google Patents

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EP2143808B1
EP2143808B1 EP09006643.2A EP09006643A EP2143808B1 EP 2143808 B1 EP2143808 B1 EP 2143808B1 EP 09006643 A EP09006643 A EP 09006643A EP 2143808 B1 EP2143808 B1 EP 2143808B1
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EP
European Patent Office
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temperature
alloy
heated
regions
component blank
Prior art date
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EP09006643.2A
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EP2143808A1 (de
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Markus Pellmann
Johannes Dr. Böke
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Benteler Automobiltechnik GmbH
Aisin Takaoka Co Ltd
Original Assignee
Benteler Automobiltechnik GmbH
Aisin Takaoka Co Ltd
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    • 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
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C21D9/48—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals deep-drawing sheets
    • 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
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/185—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering from an intercritical temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
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    • 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
    • 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
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a molded component having at least two microstructures of different ductility from a component blank made of hardenable steel, which is partially heated differently and then formed in a thermoforming and hardening tool and partially cured and an infrared lamp array.
  • thermoforming and press hardening Both preformed components and flat blanks can be thermoformed and press-hardened. With preformed components, the molding process can also be limited to forming a few percent of the final geometry or calibrating.
  • molded components are intended to have high strength over certain regions, and in turn to have higher ductility in relation to other regions.
  • a method for producing a hardened metallic component having at least two regions of different ductility is known.
  • a blank or a preformed mold component is heated in a heating device to an austenitizing temperature and then fed to a curing process via a transport path.
  • a transport path During transport, subregions of the first type of board or of the molded component, which have higher ductility properties in the final component, are cooled.
  • the method is optimized for mass production by quenching the regions of the first kind from a predetermined cooling start temperature, which is above the ⁇ - ⁇ transformation temperature, and quenching is terminated when a predetermined cooling-stop temperature is reached before conversion into ferrite and / or perlite has taken place or after only a small conversion to ferrite and / or perlite has taken place. Subsequently, it is held approximately isothermally to convert the austenite into ferrite and / or perlite. Meanwhile, in the areas of the second type, which have relatively lower ductility properties in the final component, the hardening temperature (T H ) just enough so that sufficient martensite formation can take place in the areas of the second type during a hardening process.
  • T H the hardening temperature
  • the hardening process is carried out.
  • this method more heat energy is first introduced into the board or the molding component in the areas of the first type than necessary, and then heat energy is removed again in a second process step, which is also associated with an energy input.
  • the method therefore has a relatively poor energy balance.
  • the DE 101 08 926 C1 discloses a heat treatment process for altering the physical properties of a metal article.
  • the object is irradiated at least in a predetermined surface portion with electromagnetic radiation of an emitter having a radiator temperature of 2900 K or more in the range of the near infrared with high power density.
  • the material of a surface layer assumes a predetermined treatment temperature as a function of the material parameters.
  • the irradiated surface portion is actively cooled and thus annealed.
  • a complete heating of a large area object from room temperature to hardening temperature but would be with the in DE 101 08 926 C1 described method for an industrial hot forming line too uneconomical.
  • the semi-finished product to be heated simultaneously passes through at least two zones of the continuous furnace with different temperature levels arranged next to one another in the direction of passage and is heated to different degrees so that at least two microstructures with different ductility are set in a subsequent hardening process ,
  • the continuous furnace according to the invention is accordingly provided with at least two adjacent zones in the passage direction, which are separated from each other by a partition, that a workpiece passing through the furnace is both partially in zone 1 and partially in zone 2 and in both zones a separate Temperature control is possible.
  • this multi-zone furnace is a special furnace for partially heated components.
  • Maikranz-Valentin M et al "Components with optimized properties due to advanced thermo-mechanical process strategies in hot sheet metal forming" Steel Res. Int., Verlag Stahleisen GmbH., ISSN: 1611-3683, Vol. 79, No. 2 , 1 February 2008, pages 92 to 97 also describes a thermomechanically tailored product. The entire board is heated to an average temperature below each structural transformation. A local increase above AC 3 in the intended high-strength areas is achieved by a short induction heating.
  • Maikranz-Valentin M et al "Property-optimized components through modified process routes during mold hardening" Modern Thermomechanical Process Strategies in Steel Forming, Workshop, Düsseldorf, 10, May 2007; Pages 115 to 126 discloses heating strategies in the field of mold hardening.
  • a combined furnace / induction heating is described in which a board blank of the material 22MnB5 is first heated in the continuous furnace by different annealing cycles only so far that the annealing accompanying the diffusion of the AlSi surface layer (used material Usibor 1500 P) is ensured, however no austenitization takes place.
  • an inductive rapid heating of defined component zones takes place through the use of an inductor and thus a local increase in the workpiece temperature to above AC 3 .
  • the austenitized zones convert to a martensitic hardened structure.
  • the non-inductively heated ferritic-pearlitic areas are significantly softer after forming and are thus characterized above all by good elongation values.
  • the hardness decreases due to the decreasing martensite fraction with increasing distance to the heating zone.
  • the US 2002/108683 A1 shows a method to avoid cracks in a shank of a forging hammer.
  • the shaft is heated by means of an electrical heat source such as an infrared source.
  • an electrical heat source such as an infrared source.
  • These may be tungsten halogen lamps operating in the short wave range of the electromagnetic spectrum.
  • the US Pat. No. 4,229,236 discloses a process and apparatus for stress relieving a steel sheet by high intensity infrared shortwave radiation.
  • a steel strip goes through a furnace in a continuous process with opposing arrangements of infrared lamps.
  • the intensity of the lamps is controlled along the assembly by a control unit and adjusted according to the speed of passage of the steel strip.
  • the invention is therefore based on the object to be able to use a conventional hot forming line as economically as possible in the press cycle for the production of a partially cured component.
  • the heating device consists of a conventional continuous furnace.
  • partially cured components can be produced with the method according to the invention in a conventional hot forming line.
  • preformed components and planar boards can be heated, both together referred to below as the component blank.
  • the molding process can also be limited to forming a few percent of the final geometry or calibrating.
  • the component blank must experience a defined heat input. All areas which are to undergo as complete structural transformation as possible in martensite due to curing must first have been heated to a temperature greater than or equal to the AC 3 point of the alloy. In the following, these are the areas of the first type. Areas which are not or will not be fully cured, hereinafter referred to as second-type areas, must not be heated to a temperature above AC 3 . For the press hardening process, it would be sufficient if the second type areas had room temperature. This would be energetically the cheapest option, but steel at room temperature has a much lower forming capacity than heated steel.
  • the steel is heated in the areas of the second kind, especially since common hot-forming steel springs back after cold forming, which has a negative effect on the tolerances to be observed.
  • too high a temperature gradient between the first type regions and the second type regions after curing can lead to stress in the transition region.
  • the second-type regions are heated to a temperature up to at most the AC 1 point of the alloy. After exceeding the AC 1 point already begins a partial structure transformation, which can also lead to a Clausmartensit Bear after curing, which is not desirable.
  • the starting temperature for the lamp heating by means of infrared should be as high as possible. Consequently, the entire component is preferably a heated to a homogeneous temperature up to the AC 1 point of the alloy in a continuous furnace and then rearranged under the infrared lamp array to heat the areas of the first type above AC 3 . The areas of the second kind are in the meantime irradiated with infrared and kept at their temperature. In this way, the heating by means of infrared is fast enough to ensure the production sequence in the press cycle.
  • the component blank as a whole is heated to a homogeneous temperature of less than AC 3 but greater than AC 1 of the alloy and then transferred to the infrared lamp array under which the areas of the first type are heated above AC 3 .
  • a mixed structure occurs, which is located between the properties of the initial structure and the properties of the hard structure. This mixed structure may be advantageous for certain applications.
  • the component parameters can therefore be flexibly adjusted as required by a power control of the infrared lamps.
  • the process is particularly suitable for thermoforming of a steel alloy, expressed as a percentage by weight Carbon (C) 0.18% to 0.3% Silicon (Si) 0.1% to 0.7% Manganese (Mn) 1.0% to 2.5% Phosphorus (P) max. 0.025% Chromium (Cr) up to 0.8% Molybdenum (Mo) to 0.5% Sulfur (S) max. 0.01% Titanium (Ti) 0.02% to 0.05% Boron (B) 0.002% to 0.005% Aluminum (AI) 0.01% to 0.06% Remaining iron and impurities caused by melting.
  • a component blank of this steel is first heated homogeneously to at least 400 ° C, preferably to about 700 ° C and then heated in the areas of the first kind by means of infrared lamps to a temperature of about 930 ° C. Meanwhile, the second type areas are maintained at about 700 ° C.
  • the blank is fed to a thermoforming and hardening tool and molded and cured in the first type areas. This results in a partially cured, true to size, thermoformed component with defined properties in the respective areas.
  • the method is also applicable to a hot-forming steel provided with a metallic layer such as aluminum or zinc.
  • a hot-forming steel coated with an aluminum-containing layer must first be heated and alloyed to a temperature above the AC 3 point of the alloy in order to form a so-called intermetallic phase.
  • a hot-forming steel coated with aluminum must first be alloyed in a separate working step. This step would be best done at the steel manufacturer already in the production of the coil.
  • FIG. 1 schematically a hot forming line 1 according to the invention is shown.
  • a coil 2 with an uncoated hot-forming steel for example the steel grade described above, is continuously unwound and cut in a cutting station 3 to form a molding board 4.
  • the molding board 4 can optionally be cold preformed and / or trimmed in a molding station 5.
  • the cold forming is usually deep drawing at room temperature, the trimming is carried out as close to the final contour as possible.
  • the forming station 5 is optional and dependent on the complexity of the component geometry. It can also be completely eliminated.
  • the forming plate 4 is transferred directly to the heating station 6. In the heating station 6, the mold plate 4 is heated homogeneously to a temperature of less than AC 3 and then immediately transferred to the infrared lamps station 7.
  • the infrared lamps station 7 is shown here as a separate station. However, the infrared lamps can also be integrated, for example, in the heating station 6, for example in the end region.
  • the molding board 4 is heated in a first type area to a temperature above the AC 3 point of the alloy.
  • the second type regions remain at a temperature below AC 3 .
  • the areas of the second type are located at the respective ends of the forming board 4 and the area of the first type in the middle of the forming board 4.
  • the thus-preheated forming board 4 is then fed to a forced-cooled forming and hardening tool 8 and thermoformed in the station 8 and partially cured.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention for a hot forming line 10 for a coated steel.
  • a coil 20 having a hot-forming steel coated with an aluminum-containing alloy is unwound continuously and passed through a heater 9.
  • the coated hot-forming steel is heated homogeneously to a temperature above AC 3 , so that the coating is alloyed through and forms a so-called intermetallic phase with the base material.
  • the heated coated steel is then not quenched so that it does not harden because then its resistance to deformation would be too high for further processing.
  • the plated-through coated steel is rewound onto a second coil 21.
  • the coated steel is then continuously unwound and cut in a cutting station 3 into a coated forming plate 40.
  • the forming station 5 for cold preforming is eliminated because the intermetallic phase resulting from galling can not be cold formed without cracking. Therefore, the molding board 40 is transferred directly to the heating station 6.
  • the coated forming board 40 is heated homogeneously to a temperature lower than AC 3 and then immediately transferred to the infrared lamps station 7.
  • the infrared lamps station 7 is shown here as a separate station. However, the infrared lamps can also be integrated, for example, in the heating station 6, for example in the end region.
  • the molding board 40 is heated in a first type region to a temperature above the AC 3 point of the alloy.
  • the second type regions remain at a temperature below AC 3 .
  • the regions of the second type are located at the respective ends of the forming board 40 and the region of the first type in the center of the forming board 40.
  • the thus preheated forming board 40 is then fed to a forced-cooled forming and hardening tool 8 and thermoformed in the station 8 and partially cured.
  • FIG. 3 shows the infrared lamps Station 7 from the Figures 1 and 2 in detail.
  • rod-shaped infrared lamps 71 are attached on a support 75 .
  • the infrared lamps 71 are controlled in the temperature fields 72 and 74 so as to hold the preformed and preheated member 41 lying on a support plate 76 in the end portions at 700 ° C, respectively.
  • the rod-shaped Infrared lamps controlled so that they heat the component 41 centered at 930 ° C.
  • the temperature fields 72, 73 and 74 are separated by bulkheads 77 and 78. With the bulkheads 77 and 78, the temperature distribution in the component 41 can be better controlled and the hardness values in the finished component can be set more accurately.
  • FIG. 4 After thermoforming and curing is from the component blank 41 FIG. 3 one in FIG. 4 shown partially cured B-pillar 42 emerged.
  • the B-pillar 42 is relatively ductile in the head region 43 and the pillar base 44.
  • the B-pillar In the central region 47, the B-pillar has been hardened and in the transition regions 45 and 46 from the hardened to the uncured region, a mixed structure has set.
  • FIG. 5 schematically shows a plan view of another embodiment 70 of an infrared lamp station.
  • the heated mold plate 4 stores.
  • the mold plate 4 is kept at a temperature of 700 ° C.
  • the mold plate 4 is heated to 930 ° C.
  • the temperature drops from 930 ° C to 700 ° C.
  • FIG. 6 shows a heating curve 110 of a first type region of a sheet. Shown is the temperature in ° C over time in seconds.
  • the curve area 11 shows the continuous heating of the sheet in a continuous furnace. Within just under 200 seconds, the entire sheet is heated homogeneously from room temperature to about 700 ° C. The sheet is then transferred at curve point 12 under an infrared lamp array and heated to about 1000 ° C within about 30 seconds. At point 13 the warming is completed.

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Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität aus einem Bauteilrohling aus härtbarem Stahl, welcher bereichsweise unterschiedlich erwärmt und dann in einem Warmform- und Härtewerkzeug geformt und bereichsweise gehärtet wird und ein Infrarot Lampenfeld.
  • Im Fahrzeugbau werden mehr und mehr Fahrzeugbauteile aus festem und hochfestem Stahl eingesetzt, um den Leichtbaukriterien gerecht zu werden. Dies gilt auch für den Karosseriebau, wo beispielsweise Struktur- und/ oder Sicherheitsteile wie Türaufprallträger, A- und B-Säulen, Stoßfänger oder Längs- und Querträger immer öfter zur Erreichung der Gewichtsziele und der Sicherheitsanforderungen aus einem warmgeformten und pressgehärteten Stahl mit Zugfestigkeiten größer 1000 MPa hergestellt werden. Aus der DE 24 52 486 C2 ist dabei ein Verfahren zum Pressformen und Härten eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit bekannt, bei dem ein Blech aus einem borlegierten Stahl auf eine Temperatur über AC3 erwärmt und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formveränderung gepresst wird und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen wird, dass ein martensitisches und/ oder bainitisches Gefüge erzielt wird. Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, das sich hervorragend für Struktur- und Sicherheitsteile im Fahrzeugbau eignet. Dieser Prozess ist nachfolgend mit Warmformen und Presshärten gemeint. Dabei können sowohl vorgeformte Bauteile als auch ebene Platinen warmgeformt und pressgehärtet werden. Der Formvorgang kann sich bei vorgeformten Bauteilen auch auf eine Formung von einigen wenigen Prozent der Endgeometrie oder auf ein Kalibrieren beschränken.
  • In verschiedenen Anwendungsfällen der Kraftfahrzeugtechnik sollen Formbauteile über bestimmte Bereiche eine hohe Festigkeit, über andere Bereiche wiederum eine im Verhältnis dazu höhere Duktilität aufweisen. Neben der Verstärkung durch Zusatzbleche oder dem Zusammenfügen von Teilen unterschiedlicher Festigkeit ist es hierbei auch bereits bekannt, über Wärmebehandlungen ein Bauteil so zu behandeln, dass es lokal Bereiche höherer Festigkeit oder höherer Duktilität aufweist.
  • Aus der DE 102 08 216 C1 ist zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten metallischen Bauteils mit mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Duktilität bekannt. Dabei wird eine Platine oder ein vorgeformtes Formbauteil in einer Erwärmungseinrichtung auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend über einen Transportweg einem Härteprozess zugeführt. Während des Transportes werden Teilbereiche erster Art der Platine oder des Formbauteils, die im Endbauteil höhere Duktilitätseigenschaften aufweisen, abgekühlt. Das Verfahren wird dadurch für die Massenproduktion optimiert, dass die Bereiche erster Art von einer vorbestimmten Abkühl-Starttemperatur, die oberhalb der γ-α-Umwandlungstemperatur liegt, abgeschreckt werden und dass das Abschrecken beendet wird, wenn eine vorgegebene Abkühl-Stopptemperatur erreicht ist und zwar bevor eine Umwandlung in Ferrit und/oder Perlit stattgefunden hat oder nachdem erst eine geringe Umwandlung in Ferrit und/oder Perlit stattgefunden hat. Anschließend wird annähernd isotherm zur Umwandlung des Austenits in Ferrit und/oder Perlit gehalten. Währenddessen ist in den Bereichen zweiter Art, die im Endbauteil im Verhältnis geringere Duktilitätseigenschaften aufweisen, die Härtetemperatur (TH) gerade so hoch, dass eine ausreichende Martensitbildung in den Bereichen zweiter Art während eines Härteprozesses stattfinden kann. Anschließend wird der Härteprozess durchgeführt. Bei diesem Verfahren wird in die Bereiche erster Art zunächst mehr Wärmeenergie in die Platine oder das Formbauteil eingebracht als nötig, und sodann wird Wärmeenergie in einem zweiten Prozessschritt wieder entzogen, was ebenfalls mit einem Energieaufwand verbunden ist. Das Verfahren hat daher eine relativ schlechte Energiebilanz.
  • Die DE 101 08 926 C1 offenbart ein Wärmebehandlungsverfahren zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften eines Metallgegenstandes. Dabei wird der Gegenstand mindestens in einem vorbestimmten Oberflächenabschnitt mit elektromagnetischer Strahlung eines Emitters mit einer Strahlertemperatur von 2900 K oder mehr im Bereich des nahen Infrarot mit hoher Leistungsdichte bestrahlt. Dadurch nimmt das Material einer Oberflächenschicht eine in Abhängigkeit von den Materialparametern vorbestimmte Behandlungstemperatur an. Anschließend wird der bestrahlte Oberflächenabschnitt aktiv gekühlt und so vergütet. Ein vollständiges Erwärmen eines großflächigen Gegenstandes von Raumtemperatur bis auf Härtetemperatur wäre aber mit dem in der DE 101 08 926 C1 beschriebenen Verfahren für eine industrielle Warmformlinie zu unwirtschaftlich.
  • Offenbart wird in der DE 102 56 621 B3 ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Duktilität aus einem Halbzeug aus härtbarem Stahl mit einer Erwärmung in einem Durchlaufofen und einem Härteprozess. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das zu erwärmende Halbzeug während des Transports durch einen Durchlaufofen gleichzeitig mindestens zwei nebeneinander in Durchlaufrichtung angeordnete Zonen des Durchlaufofens mit unterschiedlichen Temperaturniveaus durchläuft und dabei unterschiedlich stark erwärmt wird, so dass sich bei einem anschließenden Härteprozess mindestens zwei Gefügebereiche mit unterschiedlicher Duktilität einstellen. Der erfindungsgemäße Durchlaufofen ist dementsprechend mit mindestens zwei in Durchlaufrichtung nebeneinander liegenden Zonen versehen, die voneinander so durch eine Trennwand getrennt sind, dass ein den Ofen durchlaufendes Werkstück sich sowohl bereichsweise in Zone 1 als auch bereichsweise in Zone 2 befindet und in beiden Zonen eine getrennte Temperaturregelung möglich ist. Dieser Mehrzonenofen ist allerdings ein Spezialofen für partiell zu erwärmende Bauteile.
  • Hein Philipp et al:"Status and innovation trends in hot stamping of USIBOR 1500 P", Steel Res. Int., Verlag Stahleisen GmbH, ISSN: 1611-3683, Bd 79, Nr. 2, 1. Februar 2008, Seiten 85 - 91, beschreibt unter anderem ein Verfahren, unterschiedliche mechanische Eigenschaften in einem hochfesten warmgeformten Bauteil einzustellen, indem das Bauteil unterschiedlichen Wärmebehandlungen ausgesetzt wird, die die Duktilität in bestimmten lokal begrenzten Bereichen erhöhen. Eine Möglichkeit dazu besteht in einem partiellen Erwärmen einer Ausgangsplatine auf eine Temperatur über der Rekristallisationstemperatur, während andere Bereiche der Platine unterhalb der Rekristallisationstemperatur verbleiben. Eine Möglichkeit diesen Zustand zu erreichen, besteht in einem selektiven induktiven Erwärmen.
  • Maikranz- Valentin M et al: "Components with optimised properties due to advanced thermo-mechanical process strategies in hot sheet metal forming" Steel Res. Int., Verlag Stahleisen GmbH., ISSN:1611-3683, Bd. 79, Nr. 2, 1. Februar 2008, Seiten 92 bis 97 beschreibt ebenfalls ein thermomechanisch maßgeschneidertes Produkt. Dabei wird die gesamte Platine auf eine mittlere Temperatur unterhalb jeder Gefügeumwandlung erwärmt. Eine lokale Erhöhung über AC3 in den beabsichtigten hochfesten Bereichen wird durch eine kurze Induktionserwärmung erreicht.
  • Maikranz-Valentin M et al: "Eigenschaftsoptimierte Bauteile durch modifizierte Prozessrouten beim Formhärten" Moderne Thermomechanische Prozessstrategien in Der Stahlumformung, Workshop, Düsseldorf, 10, Mai 2007; Seiten 115 bis 126 offenbart Erwärmungsstrategien im Bereich des Formhärtens. Es wird eine kombinierte Ofen-/Induktionserwärmung beschrieben, bei welcher ein Platinenzuschnitt des Werkstoffs 22MnB5 zunächst im Durchlaufofen durch unterschiedliche Glühzyklen nur so weit erwärmt, dass das mit der Glühung einhergehende Eindiffundieren der AlSi- Oberflächenschicht (verwendetes Material Usibor 1500 P) gewährleistet bleibt, jedoch keine Austenitisierung stattfindet. Im Anschluss erfolgt während der Übergabe in den Formhärtsimulator eine induktive Schnellerwärmung definierter Bauteilzonen durch die Verwendung eines Induktors und somit eine lokale Erhöhung der Werkstücktemperatur auf oberhalb von AC3. Beim nachgeschalteten Formhärten wandeln lediglich die austenitisierten Zonen in ein martensitisches Härtegefüge um. Die nicht induktiv erwärmten ferritischperlitischen Bereiche sind nach der Umformung deutlich weicher und zeichnen sich somit vor allem durch gute Dehnungswerte aus. In der Übergangszone nimmt die Härte aufgrund des sinkenden Martensitanteils mit zunhemendem Abstand zur Erwärmungszone ab.
  • Die US 2002/108683 A1 zeigt ein Verfahren, um Risse in einem Schaft eines Schmiedehammers zu vermeiden. Dazu wird der Schaft mittels einer elektrischen Wärmequelle wie beispielsweise einer Infrarotquelle erwärmt. Hierbei kann es sich um Wolfram Halogen Lampen handeln, die im Kurzwellenbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten.
  • Die US A 4 229 236 offenbart einen Prozess und einen Apparat um ein Spannungsarmglühen eines Stahlblechs mittels hochintensives Infrarot Kurzwellenstrahlung. Dabei durchläuft ein Stahlband in einem kontinuierlichen Prozess einen Ofen mit gegenüberliegenden Anordnungen von Infrarot Lampen. Die Intensität der Lampen wird entlang der Anordnung von einer Steuerungseinheit kontrolliert und anhand der Durchlaufgeschwindigkeit des Stahlbandes angepasst.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, eine herkömmliche Warmformlinie möglichst wirtschaftlich im Pressentakt für die Herstellung eines partiell gehärteten Bauteils einsetzen zu können.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach wird vorgeschlagen, einen Bauteilrohling aus einem härtbaren Stahl in einer Erwärmungseinrichtung auf eine homogene Temperatur kleiner dem AC3 Punkt der Legierung zu erwärmen. Anschließend wird der Bauteilrohling mittels eines Infrarot Lampenfeldes in Bereichen erster Art auf eine Temperatur über den AC3 Punkt der Legierung gebracht, wohingegen der Bauteilrohling in Bereichen zweiter Art mittels des Infrarot Lampenfeldes auf einer Temperatur unter dem AC3 Punkt der Legierung gehalten wird und der Bauteilrohling in einem Warmform- und Härtewerkzeug in den Bereichen erster Art gehärtet. Dadurch wird ein Formbauteil aus Stahl mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität erzeugt. Vorzugsweise besteht die Erwärmungseinrichtung aus einem konventionellen Durchlaufofen. Auf diese Weise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer herkömmlichen Warmformlinie partiell gehärtete Bauteile hergestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl vorgeformte Bauteile als auch ebene Platinen erwärmt werden, beide zusammen nachfolgend als Bauteilrohling bezeichnet. Der Formvorgang kann sich bei vorgeformten Bauteilen auch auf eine Formung von einigen wenigen Prozent der Endgeometrie oder auf ein Kalibrieren beschränken.
  • Beim Warmformen und Presshärten muss der Bauteilrohling einen definierten Wärmeeintrag erfahren. Alle Bereiche, die durch das Härten eine möglichst vollständige Gefügeumwandlung in Martensit erfahren sollen, müssen zuvor auf eine Temperatur größer oder gleich dem AC3 Punkt der Legierung erwärmt worden sein. Dies sind im Folgenden die Bereiche erster Art. Bereiche, die nicht oder nicht vollständig gehärtet werden sollen, im Folgenden Bereiche zweiter Art genannt, dürfen nicht auf eine Temperatur über AC3 erwärmt werden. Für den Presshärtevorgang würde es genügen, wenn die Bereiche zweiter Art Raumtemperatur hätten. Dies wäre auch energetisch die günstigste Variante, allerdings hat Stahl bei Raumtemperatur ein wesentlich geringeres Umformvermögen als erwärmter Stahl. Daher ist es für den Umformvorgang zumindest bei komplexeren Tiefziehteilen notwendig, dass der Stahl auch in den Bereichen zweiter Art erwärmt wird, zumal gängiger Warmformstahl nach einem Kaltformen rückfedert, was sich negativ auf die einzuhaltenden Toleranzen auswirkt. Hinzu kommt, dass ein zu großer Temperaturgradient zwischen den Bereichen erster Art und den Bereichen zweiter Art nach dem Härten zu Spannungen im Übergangsbereich führen kann. Um die Bildung von Martensit in den Bereichen zweiter Art nach dem Härten auszuschließen, werden in einer bevorzugten Ausführungsform die Bereiche zweiter Art auf eine Temperatur bis maximal zum AC1 Punkt der Legierung erwärmt. Nach Überschreiten des AC1 Punktes beginnt bereits eine Teilgefügeumwandlung, die nach dem Härten auch zu einer Teilmartensitbildung führen kann, was nicht gewünscht ist. Umgekehrt soll die Erwärmung mit den Infrarotlampen aber nicht zu lange dauern. Deswegen soll die Starttemperatur für die Lampenerwärmung mittels Infrarot möglichst hoch liegen. Folglich wird das gesamte Bauteil bevorzugt auf eine homogene Temperatur bis maximal zum AC1 Punkt der Legierung in einem Durchlaufofen erwärmt und anschließend unter das Infrarot Lampenfeld umgelagert, um die Bereiche erster Art auf über AC3 zu erwärmen. Die Bereiche zweiter Art werden währenddessen mit Infrarot bestrahlt und auf ihrer Temperatur gehalten. Auf diese Weise erfolgt die Erwärmung mittels Infrarot schnell genug, um die Fertigungsabfolge im Pressentakt zu gewährleisten. Sollte die Erwärmung der Bereiche erster Art mittels Infrarot auf über AC3 langsamer sein als der Pressentakt, muss mit zwei oder mehr Infrarot Lampenfeldern gearbeitet werden. Es ist daher ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, die herkömmlichen Durchlauföfen in einer konventionellen Fertigungslinie für das Warmformen beibehalten zu können und die konventionelle Linie einfach und wirtschaftlich für die Herstellung eines nur partiell gehärteten Bauteils umrüsten zu können. Zudem ist es möglich, bei einer eigens eingerichteten Fertigungslinie den Erwärmungsofen insgesamt einfacher und günstiger aufzubauen, wenn der Ofen nur Temperaturen bis AC1 und nicht bis auf über AC3 erbringen und im Dauerbetrieb standhalten muss.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Bauteilrohling insgesamt auf eine homogene Temperatur kleiner AC3, aber größer AC1 der Legierung erwärmt und dann unter das Infrarot Lampenfeld umgelagert, unter dem die Bereiche erster Art auf über AC3 erwärmt werden. In den Bereichen zweiter Art tritt dann nach dem Härten ein Mischgefüge auf, das zwischen den Eigenschaften des Ausgangsgefüges und den Eigenschaften des harten Gefüges angesiedelt ist. Dieses Mischgefüge kann für bestimmte Einsatzzwecke vorteilhaft sein. Die Bauteilparameter können daher durch eine Leistungssteuerung der Infrarot Lampen je nach Bedarf flexibel eingestellt werden.
  • Das Verfahren eignet sich besonders für das Warmformen einer Stahllegierung, die sich ausgedrückt in Gewichtsprozent zusammensetzt 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 (AI) 0,01 % bis 0,06 %
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Hierbei handelt es sich um einen borlegierten unbeschichteten Warmformstahl. Ein Bauteilrohling aus diesem Stahl wird zunächst homogen auf mindestens 400° C, vorzugsweise auf etwa 700° C erwärmt und dann in den Bereichen erster Art mittels Infrarot- Lampen auf eine Temperatur von ca. 930° C erwärmt. Die Bereiche zweiter Art werden währenddessen auf etwa 700° C gehalten. Sofort im Anschluss an die Erwärmung wird der Bauteilrohling einem Warmform- und Härtewerkzeug zugeführt und geformt und in den Bereichen erster Art gehärtet. Dadurch erhält man ein partiell gehärtetes, maßgetreues, warmgeformtes Bauteil mit definierten Eigenschaften in den jeweiligen Bereichen.
  • Das Verfahren ist jedoch auch für einen mit einer metallischen Schicht wie beispielsweise Aluminium oder Zink versehenen Warmformstahl einsetzbar. Insbesondere ein mit einer Aluminiumhaltigen Schicht beschichteter Warmformstahl muss jedoch zur Ausbildung einer sogenannten intermetallischen Phase zunächst auf eine Temperatur über dem AC3 Punkt der Legierung erwärmt und durchlegiert werden. Zur wirtschaftlichen Anwendung des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens muss ein mit Aluminium beschichteter Warmformstahl daher zunächst in einem separaten Arbeitsschritt durchlegiert werden. Am besten wäre dieser Arbeitsschritt beim Stahlhersteller bereits bei der Herstellung des Coils auszuführen.
  • Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen genauer beschrieben.
    • Figur 1
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Warmformlinie 1 für einen unbeschichteten Stahl;
    Figur 2
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Warmformlinie 10 für einen beschichteten Stahl;
    Figur 3
    zeigt vergrößert die Infrarot Lampen Station 7 aus den Figuren 1 und 2 und
    Figur 4
    zeigt die Härteverteilung bei einer erfindungsgemäß hergestellten B-Säule 42.
    Figur 5
    zeigt schematisiert eine Draufsicht auf eine Infrarot Lampen Station 70.
    Figur 6
    zeigt eine Erwärmungskurve 110 eines Bereiches erster Art.
  • In Figur 1 ist schematisiert eine erfindungsgemäße Warmformlinie 1 dargestellt. Ein Coil 2 mit einem unbeschichteten Warmformstahl, beispielsweise der weiter oben beschriebenen Stahlsorte, wird kontinuierlich abgewickelt und in einer Schneidestation 3 zu einer Formplatine 4 geschnitten. Die Formplatine 4 kann wahlweise in einer Formstation 5 kalt vorgeformt und/ oder beschnitten werden. Das Kaltformen ist in der Regel ein Tiefziehen bei Raumtemperatur, der Beschnitt wird möglichst endkonturnah ausgeführt. Die Formstation 5 ist optional und abhängig von der Komplexität der Bauteilgeometrie. Sie kann auch völlig entfallen. Dann wird die Formplatine 4 direkt in die Erwärmungsstation 6 überführt. In der Erwärmungsstation 6 wird die Formplatine 4 homogen auf eine Temperatur kleiner AC3 erwärmt und dann sofort unter die Infrarot Lampen Station 7 umgelagert. Die Infrarot Lampen Station 7 ist hier als separate Station dargestellt. Die Infrarot Lampen können aber auch zum Beispiel in die Erwärmungsstation 6 integriert sein, beispielsweise im Endbereich. In der Infrarot Lampen Station 7 wird die Formplatine 4 in einem Bereich erster Art auf eine Temperatur über den AC3 Punkt der Legierung erwärmt. Die Bereiche zweiter Art verbleiben auf einer Temperatur unterhalb von AC3. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 liegen die Bereiche zweiter Art an den jeweiligen Enden der Formplatine 4 und der Bereich erster Art in der Mitte der Formplatine 4. Die so vorerwärmte Formplatine 4 wird dann einem zwangsgekühlten Form- und Härtewerkzeug 8 zugeführt und in der Station 8 warmgeformt und partiell gehärtet.
  • Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante für eine Warmformlinie 10 für einen beschichteten Stahl. Ein Coil 20 mit einem Warmformstahl, der mit einer Aluminiumhaltigen Legierung beschichtet ist, wird kontinuierlich abgewickelt und durch eine Erwärmungseinrichtung 9 gefahren. In der Erwärmungseinrichtung 9 wird der beschichtete Warmformstahl homogen auf eine Temperatur über AC3 erwärmt, so dass die Beschichtung durchlegiert und mit dem Grundmaterial eine sogenannte intermetallische Phase ausbildet. Der erwärmte beschichtete Stahl wird dann allerdings nicht abgeschreckt, so dass er nicht härtet, denn dann wäre sein Formänderungswiderstand für ein weiteres Verarbeiten zu hoch. Beim Verlassen der Erwärmungseinrichtung 9 wird der durchlegierte beschichtete Stahl auf ein zweites Coil 21 wieder aufgewickelt. Von diesem Coil 21 wird der beschichtete Stahl sodann kontinuierlich abgewickelt und in einer Schneidestation 3 zu einer beschichteten Formplatine 40 geschnitten. Die Formstation 5 zum kalt Vorformen entfällt, weil die beim Durchlegieren entstandene intermetallische Phase nicht kalt geformt werden kann, ohne zu reißen. Daher wird die Formplatine 40 direkt in die Erwärmungsstation 6 überführt. In der Erwärmungsstation 6 wird die beschichtete Formplatine 40 homogen auf eine Temperatur kleiner AC3 erwärmt und dann sofort unter die Infrarot Lampen Station 7 umgelagert. Die Infrarot Lampen Station 7 ist hier als separate Station dargestellt. Die Infrarot Lampen können aber auch zum Beispiel in die Erwärmungsstation 6 integriert sein, beispielsweise im Endbereich. In der Infrarot Lampen Station 7 wird die Formplatine 40 in einem Bereich erster Art auf eine Temperatur über den AC3 Punkt der Legierung erwärmt. Die Bereiche zweiter Art verbleiben auf einer Temperatur unterhalb von AC3. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 liegen die Bereiche zweiter Art an den jeweiligen Enden der Formplatine 40 und der Bereich erster Art in der Mitte der Formplatine 40. Die so vorerwärmte Formplatine 40 wird dann einem zwangsgekühlten Form- und Härtewerkzeug 8 zugeführt und in der Station 8 warmgeformt und partiell gehärtet.
  • Figur 3 zeigt die Infrarot Lampen Station 7 aus den Figuren 1 und 2 im Detail. An einem Träger 75 sind stabförmige Infrarot Lampen 71 angebracht. Die Infrarot Lampen 71 sind in den Temperaturfeldern 72 und 74 so gesteuert, dass sie das auf einer Trägerplatte 76 liegende vorgeformte und vorerwärmte Bauteil 41 jeweils in den Endbereichen auf 700° C halten. Im Temperaturfeld 73 sind die stabförmigen Infrarot Lampen so gesteuert, dass sie das Bauteil 41 mittig auf 930° C erwärmen. In dieser Figur 3 sind die Temperaturfelder 72, 73 und 74 durch Schotte 77 und 78 voneinander getrennt. Mit den Schotten 77 und 78 können die Temperaturverteilung im Bauteil 41 besser beherrscht und die Härtewerte im fertigen Bauteil genauer eingestellt werden.
  • Nach dem Warmformen und Härten ist aus dem Bauteilrohling 41 aus Figur 3 eine in Figur 4 dargestellte partiell gehärtet B- Säule 42 entstanden. Die B- Säule 42 ist im Kopfbereich 43 und dem Säulenfuß 44 relativ duktil. In dem mittleren Bereich 47 ist die B- Säule gehärtet worden und in den Übergangsbereichen 45 und 46 von dem gehärteten zum ungehärteten Bereich hat sich ein Mischgefüge eingestellt.
  • Figur 5 zeigt schematisiert eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform 70 einer Infrarot Lampen Station. Unter spotförmigen Infrarot Lampen 710 lagert die erwärmte Formplatine 4. Im Kopfbereich 43 und dem Fußbereich 44, jeweils Bereiche zweiter Art, wird die Formplatine 4 auf einer Temperatur von 700° C gehalten. Im mittleren Bereich 47, einem Bereich erster Art, wird die Formplatine 4 auf 930° C erwärmt. In den Übergangsbereichen 45 und 46 fällt die Temperatur von 930° C auf 700° C ab.
  • Figur 6 zeigt eine Erwärmungskurve 110 eines Bereiches erster Art von einem Blech. Dargestellt ist die Temperatur in °C über die Zeit in Sekunden. Der Kurvenbereich 11 zeigt die kontinuierliche Aufheizung des Bleches in einem Durchlaufofen. Innerhalb von knapp 200 Sekunden wird das gesamte Blech homogen von Raumtemperatur auf ca. 700° C aufgeheizt. Sodann wird das Blech bei Kurvenpunkt 12 unter ein Infrarot Lampenfeld umgelagert und innerhalb von etwa 30 Sekunden auf knapp 1000° C aufgeheizt. Bei Punkt 13 ist die Erwärmung abgeschlossen.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils (42) mit mindestens zwei Gefügebereichen unterschiedlicher Duktilität (43- 47) aus einem Bauteilrohling (4, 40) aus härtbarem Stahl, welcher bereichsweise unterschiedlich erwärmt und dann in einem Warmform- und Härtewerkzeug (8) geformt und bereichsweise gehärtet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Bauteilrohling (4, 40) in einer Erwärmungseinrichtung (6) auf eine homogene Temperatur kleiner dem AC3 Punkt der Legierung erwärmt wird,
    - dass der Bauteilrohling anschließend mittels eines Infrarot Lampenfeldes (7, 70) in Bereichen erster Art (47) auf eine Temperatur über den AC3 Punkt der Legierung gebracht wird und in Bereichen zweiter Art (43, 44) auf einer Temperatur unterhalb des AC3 Punktes der Legierung gehalten wird, wobei
    - Infrarot Lampen (71, 710) in Temperaturfeldern (72, 73, 74) gesteuert werden derart, dass in den Temperaturfeldern (72) und (74) der vorerwärmte Bauteilrohling (41) in den Bereichen zweiter Art auf der Temperatur unterhalb des AC3 Punktes der Legierung gehalten wird, während im Temperaturfeld (73) die Infrarot Lampen so gesteuert werden, dass der Bauteilrohling (41) in den Bereichen erster Art auf eine Temperatur über den AC3 Punkt der Legierung erwärmt wird und
    - dass der Bauteilrohling (4, 40) in dem Warmform- und Härtewerkzeug (8) in den Bereichen erster Art (47) gehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Bauteilrohling (4, 40) in einem Durchlaufofen (6) auf eine homogene Temperatur kleiner dem AC3 Punkt der Legierung erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Bauteilrohling (4, 40) in der Erwärmungseinrichtung (6) auf eine homogene Temperatur bis maximal AC1 der Legierung erwärmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Bauteilrohling (4, 40) in der Erwärmungseinrichtung (6) auf eine homogene Temperatur kleiner AC3, aber größer AC1 der Legierung erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Stahllegierung eingesetzt wird, die sich ausgedrückt in Gewichtsprozent zusammensetzt 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 (AI) 0,01 % bis 0,06 %
    Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein mit einer metallischen Beschichtung versehener Bauteilrohling (40) eingesetzt wird, wobei die Beschichtung im Vorfeld durchlegiert worden ist.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass unterschiedliche Temperaturfelder (72, 73, 74) des Infrarot Lampenfeldes (7) durch ein Schott (77, 78) voneinander getrennt werden.
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