EP2411548A1 - Verfahren zum herstellen partiell gehärteter stahlbauteile - Google Patents

Verfahren zum herstellen partiell gehärteter stahlbauteile

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EP2411548A1
EP2411548A1 EP10711386A EP10711386A EP2411548A1 EP 2411548 A1 EP2411548 A1 EP 2411548A1 EP 10711386 A EP10711386 A EP 10711386A EP 10711386 A EP10711386 A EP 10711386A EP 2411548 A1 EP2411548 A1 EP 2411548A1
Authority
EP
European Patent Office
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component
absorption
absorption mass
board
temperature
Prior art date
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Granted
Application number
EP10711386A
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English (en)
French (fr)
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EP2411548B1 (de
Inventor
Andreas Sommer
Dieter Hartmann
Tobias HÄGELE
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Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Metal Forming GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Metal Forming GmbH filed Critical Voestalpine Metal Forming GmbH
Publication of EP2411548A1 publication Critical patent/EP2411548A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2411548B1 publication Critical patent/EP2411548B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • 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
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • 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
    • C21D1/68—Temporary coatings or embedding materials applied before or during heat treatment
    • C21D1/70—Temporary coatings or embedding materials applied before or during heat treatment while heating or 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 partially hardened steel components according to the preamble of claim 1.
  • a mold component is first heated homogeneously to a temperature which is necessary for curing and then the circuit board in the press tool to the mold component final molded. In the press tool also takes place the required hardening.
  • the homogeneously hardened component is then placed on a conveyor and oriented by fixations. On this conveyor, the mold components undergo a heating device in which by an inductor those areas which are to have a higher ductility, in turn brought to a temperature of 600 ° to 800 0 C in a very short time and then cooled so slowly that a renewed Hardening does not take place, but these parts are in turn ductile.
  • This method has the disadvantage that it requires several steps and is also energy-intensive.
  • a B-pillar for a motor vehicle which consists of a longitudinal profile made of steel, wherein the longitudinal profile of a first longitudinal section with a predominantly martensitic material structure and a strength over 1,400 N / mm 2 and a second longitudinal section higher To have ductility with a predominantly ferritic-pearlitic material structure and a strength below 850 N / mm 2 .
  • the molding board is first completely and homogeneously heated to an austenitizing temperature and brought during the transfer or transport of the board in the curing tool by targeted, not too abrupt cooling to a temperature well below the Austenitmaschinestemperatur, so that when hot forming no purely martensitic structure is set.
  • the targeted cooling of a board or of a preformed component increases the cycle times and increases and necessitates additional method steps.
  • both the attachment of the insulation and the removal of the insulation means additional steps that increase the cycle time and increase the cost of the process.
  • EP 0 816 520 B1 discloses a press-hardened article and a method for curing the same.
  • This component is intended to include hardened and uncured areas, wherein for curing the component or for curing the profile, an inductor is used, which at least partially heats the component to an austenitizing temperature and the inductor below a cooling device is tracked, for example, with water jet, which for the Hardening necessary rapid cooling makes.
  • a cooling device for example, with water jet, which for the Hardening necessary rapid cooling makes.
  • an absorption mass is applied during the heating.
  • the term "concerns" within the meaning of the invention also includes a small spacing, in particular a spacing of 0.5 to 2 mm between absorption mass and board.
  • the absorption mass is a "cold" mass applied to the hot board during the furnace process. This mass extracts energy from the board via the contact surface or through the narrow gap via radiation.
  • Heat transfer in the context of the invention comprises heat conduction through the support surface in direct contact with the absorption mass with the board and heat radiation at a small spacing. The mass thus partially absorbs the energy of the board, which is introduced through the furnace. Therefore, in the following, a "cold" applied mass is also referred to as absorption mass. In the invention thus takes place a heat flow from the furnace chamber through the sheet of the component in the absorption mass. Insulation does not take place. According to the invention, the components are not brought partially or only briefly over the Austenitstarttempe- temperature during the heating process.
  • the material in these areas is not / only partially converted to austenite and can not be transformed into martensite during the pressing process (press hardening) in these areas.
  • the areas that do not convert to martensite due to the previous heat treatment during press hardening have significantly lower strength than the areas that were brought to austenite start temperature during the heat treatment and then cured in the press.
  • This partial non-austenitizing is achieved by partially applying the absorption mass to the component at the beginning of the heat treatment (before the component enters the oven).
  • the absorption mass is applied to the component and partially replicates the shape of the component.
  • this relatively large absorption mass heats up less than the component.
  • energy is removed from the component at the support surface by the partial contact with the mass (the energy flow is always from warm to cold).
  • the component heats up in these areas much slower and less than in the other areas where the mass is not applied.
  • the soft areas can be specifically adjusted by the applied absorption mass. With the same contact surface but different thicknesses of the absorption mass (also over their extent), different strengths can be generated. It is thereby possible to set almost any strength between 500 and 1500 MPa and only by varying the thickness of the absorption mass or of the material used (even over their extent), of which the absorption mass is.
  • the strength transition range between Hard and soft material is about 20-50mm, especially 20 to 30 mm.
  • air gaps in particular in the edge region may be provided to make the hardness transition even wider.
  • the absorption mass always has a correspondingly constant low temperature before it is returned to the oven. This can be realized in the series process in different ways during the return of the furnace carrier.
  • a large, exactly adjustable and homogeneous transition range from hard to soft causes z. that the component in the transition region from hard to soft can absorb the occurring stresses homogeneously or cushioning "soft" and thus prevents the component is partially too heavily loaded and possibly tears in the crash and leads to component failure.
  • a larger transition area also prevents, with certain component geometries, the component tearing in the area of welding points introduced in the bodyshell.
  • heat shields may be provided on the side of the absorption mass opposite the component. These heat shields can be made of different materials, in particular of ceramic or metallic materials.
  • the heat absorption of the absorption mass and / or the réelleabcapbleche by the radiation from the furnace chamber can be selectively controlled via appropriately selected emissivities (surface condition, coating, paint). In the absorption mass, the heat absorption can be influenced by the radiation of the board also targeted.
  • Figure 1 a board with an attached absorption mass
  • Figure 2 the heating curve of the board and the applied absorption mass
  • FIG. 3 shows the circuit board after the absorption mass has been removed and a cooling carried out
  • Figure 4 schematically an absorption mass, which is placed on a finished molded component
  • Figure 5 the illustration of Figure 4 in a partially sectioned view.
  • FIG. 6 shows the illustration according to FIG. 4 in a plan view
  • Figure 7 the illustration of Figure 6 in a partially sectioned view.
  • FIG. 9 shows a further embodiment in which the finished molded component rests on a correspondingly shaped absorption mass
  • FIG. 10 shows two heating curves of a component, the temperature being measured in the region of the absorption mass below and in a region without absorption mass.
  • an absorption mass is placed on a sheet to be austenitized, for example in the form of a steel square.
  • absorption material is any form of heat-resistant metals such as Ampco alloys and steels, especially heat-resistant steels, but also ceramic bodies in question.
  • Crucial criteria for usability are the thermal conductivity and the heat capacity.
  • the absorption mass in this case has an outer shape or contour, which, if appropriate also matched to the formed part, corresponds to the areas which are to remain softer. In particular, the absorption mass can of course also have a deviating from the simple cuboid shape, complex irregular shape with recesses.
  • a heating curve for the board and a heating curve for absorption mass is shown.
  • the absorption mass is heated with a considerable delay and while the board in the uncovered area at 720 ° from the oven is taken to press-harden, the absorption mass and thus the underlying sheet has a temperature of below 600 0 C, in which a rapid subsequent cooling does not lead to a cure.
  • the board after removing the absorption mass and cooling shows the appearance of Fig. 3, wherein it can be seen that in the area in which the absorption mass was applied, the sheet has a substantially unaltered bright metallic appearance.
  • the hardness transition range from the hard region to the soft region below the absorption mass is 20 mm to 50 mm, particularly 20 mm to 30 mm.
  • the absorption mass has a shape which is matched to the shape of a finished formed workpiece.
  • This finished formed workpiece is then heated for the purpose of curing and cooled after heating in a mold without substantial transformation.
  • the heating as shown in Fig. 4, either the absorption mass is applied to the component in the furnace to allow the underlying sheet to exit from the furnace at a lower temperature or, as shown in Fig. 9, the component placed so in that it partially rests on the absorption mass. The effect for warming up is the same.
  • FIG. 10 shows a diagram in which temperatures were measured on a component during heating, once in the region of an underlying absorption mass and once in an area in which no absorption mass was present. It can be seen from the diagram that the temperature of the component is above the absorption mass in a non-critical range, which means that due to the significantly lower heating no hardness will be achieved here.
  • the absorption mass can be designed so that either a flat board or an already preformed component in the areas that are to remain softer, rests on this absorption mass, optionally in some areas with a slightly larger air gap, in particular an air gap of 4 mm to 10 mm thickness to realize hardness transitions.
  • a preferred application of the absorption mass is, for example, the production of round or circular softer regions on a component or a circuit board, in particular in the flange region at locations where a joint is to be performed.
  • This is particularly advantageous for welded joints, because it has been shown that by the heat treatment of galvanized high-hardenable steel sheets hardening by the surface of the zinc layer partially changed by oxide coatings so that the weldability is reduced. If these areas are left soft with absorption masses, in particular by an absorption mass, which is elongated, for example in the region of the flange and has rounded columnar projections on which the component rests, areas can be achieved in which the zinc surface is not adversely affected, then that here a very good weldability is maintained. Also for mechanical reasons, this is advantageous because the welds remain ductile even in these softer areas and allow so-called Ausknöpfbrüche, so that a preferred fracture pattern in the industry is achieved.
  • the absorption mass can be actively cooled by a cooling section after the furnace process on the return path of the furnace support. Before the absorption mass returns to the furnace, this cooling distance ensures that the temperature of the mass is always a constant low temperature having.
  • Different cooling media can be used to cool the absorption mass, such as compressed air or nitrogen.
  • the oven supports can be modified in such a way that you can attach the absorption mass by means of robots or suitable device on the furnace support and remove. This can be realized in the series process as follows.
  • the furnace supports are returned above the furnace.
  • the oven holders stay for about 20 seconds always in the same place.
  • a robot or a suitable device can be positioned, which removes the hot absorption mass from its holder and then attaches a cold absorption mass.
  • the hot absorption mass may be fed to a cooling circuit (active or passive) which cools the hot absorption mass until reuse. This ensures that the absorption mass always extracts the same energy from the component in the oven during the oven process.
  • Partial austenitizing may be followed by partial press hardening.
  • the component geometry is guaranteed process reliable, since the component is held during press hardening during cooling in the press tool.
  • each ductile area can be varied freely depending on the application.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Temperaturerhöhung unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht und die Platine nach Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit in ein Umformwerkzeug überführt wird, in dem die Platine zu einem Bauteil umgeformt und gleichzeitig abschreckgehärtet wird oder die Platine kalt umgeformt wird und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das erhitzte Bauteil abgekühlt und dadurch abschreckgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erhitzens der Platine oder des Bauteils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur in Bereichen, die eine geringere Härte und/oder höhere Duktilität besitzen sollen, Absorptionsmassen anliegen und/oder mit einem geringen Spalt beabstandet sind, wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Wärmekapazität und/oder hinsichtlich ihres Emissionsgrades so dimensioniert ist, dass die in dem duktil verbleibenden Bereich auf das Bauteil einwirkende Wärmeenergie durch das Bauteil hindurch in die Absorptionsmasse fließt.

Description

Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, Stahlbauteile dadurch zu härten und herzustellen, dass eine ebene Platine auf eine Austenitisierungstempe- ratur aufgeheizt, umgeformt und anschließend rasch abgekühlt wird.
Es ist zudem bekannt, bereits kalt umgeformte Bauteile aufzuheizen und anschließend in einem Werkzeug, welches der Endform des Bauteils entspricht, abzukühlen und zu härten.
Um gehärtete Bauteile mit unterschiedlich harten Bereichen zu erzielen ist es unter anderem bekannt, die Bauteile aus lasergeschweißten Platinen auszubilden, wobei die lasergeschweißten Platinen aus Stählen unterschiedlicher Güte und Härtbarkeit bestehen. Ein durch eine entsprechende Temperaturerhöhung härtbarer Stahl ist somit mit einem Stahl benachbart, der bei diesen Temperaturen oder generell nicht härtbar ist.
Aus der DE 197 43 802 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteiles bekannt, wobei das metallische Formbauteil Bereiche mit einer höheren Duktilität aufweisen soll, wobei das Formbauteil aus einem härtbaren Stahl ausge- bildet wird und zunächst partielle Bereiche einer Platine in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur von 600° und 9000C gebracht werden, worauf die wärmebehandelte Platine in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umgeformt und dann das Formbauteil im Pressenwerkzeug abgekühlt und dabei teilweise gehärtet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die in dieser Druckschrift beschrieben wird, wird ein Formbauteil zunächst homogen auf eine Temperatur erhitzt, die zum Härten notwendig ist und anschließend die Platine im Pressenwerkzeug zum Formbauteil endgeformt. Im Pressenwerkzeug findet auch die erforderliche Härtung statt. Das homogen gehärtete Bauteil wird anschließend auf einen Förderer aufgelegt und durch Fixierungen lageorientiert. Auf diesem Förderer durchlaufen die Formbauteile eine Heizvorrichtung, in der durch einen Induktor diejenigen Bereiche, die eine höhere Duktilität aufweisen sollen, in kürzester Zeit wiederum auf eine Temperatur von 600° bis 800 0C gebracht werden und anschließend so langsam abgekühlt werden, dass eine erneute Härtung nicht stattfindet, sondern diese Teile wiederum duktil sind. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass es mehrere Schritte benötigt und zudem energieintensiv ist.
Aus der DE 200 14 361 Ul ist eine B-Säule für ein Kraftfahrzeug bekannt, die aus einem Längsprofil aus Stahl besteht, wobei das Längsprofil einen ersten Längenabschnitt mit einem überwiegend martensitischen Werkstoffgefüge und einer Festigkeit über 1.400 N/mm2 und einen zweiten Längenabschnitt höherer Duktilität mit einem überwiegend ferritisch-perlitischen Werkstoffgefüge und einer Festigkeit unter 850 N/mm2 aufweisen soll. Um diese unterschiedlichen Bereiche einzustellen ist es aus dieser Druckschrift bekannt, das Längsprofil in den Bereichen, in denen das Längsprofil weicher bleiben soll, gegen die Wärmeeinwirkung des Ofens zu isolieren, indem Isolierelemente das Profil umgreifen und abdecken. Demzufolge sollen diese Bereiche keine signifikante Erwärmung erfahren, so dass die Temperaturerhöhung insgesamt in diesen Abschnitten deutlich unterhalb der Austenitisierungstemperatur liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform soll die Formplatine zunächst vollständig und homogen auf eine Austenitisierungstemperatur erhitzt werden und während der Übergabe bzw. des Transports der Platine in das Härtungswerkzeug durch gezieltes, nicht zu schroffes Abkühlen auf eine Temperatur deutlich unter der Austenitisierungstemperatur gebracht werden, so dass beim Warmumformen kein rein martensitisches Gefüge eingestellt wird. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, dass das gezielte Abkühlen einer Platine oder eines vorgeformten Bauteils die Taktzeiten und erhöht und zusätzliche Verfahrensschritte notwendig macht. Bei einer Isolierung gegen die Wärmeeinwirkung des Ofens ist von Nachteil, dass sowohl das Aufstecken der Isolierung als auch das Abnehmen der Isolierung zusätzliche Schritte bedeutet, die die Taktzeit erhöhen und die Verfahrenskosten verteuern.
Aus der EP 0 816 520 Bl ist ein pressgehärteter Gegenstand und ein Verfahren zur Härtung desselben bekannt. Dieses Bauteil soll gehärtete und ungehärtete Bereiche umfassen, wobei zur Härtung des Bauteils bzw. zur Härtung des Profiles ein Induktor eingesetzt wird, der das Bauteil zumindest teilweise auf eine Austenitisierungstemperatur aufheizt und dem Induktor nachfolgend eine Kühleinrichtung beispielsweise mit Wasserstrahl nachgeführt wird, welche die für die Härtung notwendige rasche Abkühlung vornimmt. Versuche haben gezeigt, dass dieses Verfahren einerseits sehr aufwändig ist, die Taktzeiten extrem verlängert und zum anderen haben Versuche gezeigt, dass es hierbei zu einem extrem starken Bauteilverzug kommt. Dieses Verfahren findet sich demzufolge auch nicht in der Praxis. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von partiell gehärteten Stahlbauteilen zu schaffen, welches einfach und kostengünstig durchführbar ist bei hoher Prozesssicherheit und gut vorhersagbaren Härtewerten in den unterschiedlichen Bereichen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet .
Erfindungsgemäß liegt in den Bereichen, die keine oder eine geringere Härte besitzen sollen, während des Aufheizens eine Absorptionsmasse an. Der Begriff „Anliegen" im Sinne der Erfindung umfasst auch eine geringe Beabstandung, insbesondere eine Beabstandung von 0,5 bis 2 mm zwischen Absorptionsmasse und Platine.
Die Absorptionsmasse ist eine während des Ofenprozesses an der heißen Platine anliegende "kalte" Masse. Diese Masse entzieht der Platine über die Auflagefläche oder durch den schmalen Spalt über Strahlung Energie. Wärmeübertragung im Sinne der Erfindung umfasst Wärmeleitung durch die Auflagefläche bei direkter Berührung der Absorptionsmasse mit der Platine als auch Wärmestrahlung bei geringer Beabstandung. Die Masse absorbiert also partiell die Energie der Platine, die durch den Ofen eingebracht wird. Deshalb wird im Folgenden eine "kalte" anliegende Masse auch als Absorptionsmasse bezeichnet. Bei der Erfindung findet somit ein Wärmestrom aus dem Ofenraum durch das Blech des Bauteils in die Absorptionsmasse statt. Eine Isolierung findet nicht statt. Erfindungsgemäß werden die Bauteile während des Aufheizvorganges partiell nicht bzw. nur kurz über die Austenitstarttempe- ratur gebracht. Dadurch wandelt sich das Material in diesen Bereichen nicht/nur teilweise in Austenit um und kann sich so während des Pressvorganges (Presshärten) in diesen Bereichen nicht zu Martensit umwandeln. Die Bereiche, die sich aufgrund der vorherigen Wärmebehandlung beim Presshärten nicht in Martensit umwandeln, weisen eine deutlich geringere Festigkeit auf als die Bereiche, die während der Wärmebehandlung über Austenitstarttemperatur gebracht und anschließend in der Presse gehärtet wurden.
Erreicht wird dieses partielle nicht/teil Austenitisieren, indem zu Beginn der Wärmebehandlung (bevor Bauteil in den Ofen kommt) partiell die Absorptionsmasse an das Bauteil angelegt wird. Die Absorptionsmasse liegt am Bauteil an und bildet partiell die Form des Bauteils nach. Beim Transport durch den Ofen erhitzt sich diese relativ große Absorptionsmasse bei weitem nicht so stark wie das Bauteil. Dadurch wird dem Bauteil an der Auflagefläche durch die partielle Anlage mit der Masse Energie entzogen (Energiefluss ist immer von warm zu kalt) . Das Bauteil erhitzt sich deshalb in diesen Bereichen deutlich langsamer und geringer als in den übrigen Bereichen, in denen die Masse nicht anliegt.
Die weichen Bereiche lassen sich gezielt durch die anliegende Absorptionsmasse einstellen. Bei gleicher Auflagefläche aber unterschiedlichen Dicken der Absorptionsmasse (auch über deren Ausdehnung) lassen sich unterschiedliche Festigkeiten erzeugen. Es ist dadurch möglich, annährend jede beliebige Festigkeit zwischen 500 und 1.500 MPa einzustellen und zwar nur durch Variation der Dicke der Absorptionsmasse bzw. des verwendeten Materials (auch über deren Ausdehnung) , aus dem die Absorptionsmasse ist. Der Festigkeitsübergangsbereich zwischen hartem und weichem Material beträgt ca. 20-50mm, insbesondere 20 bis 30 mm.
Zudem können Luftspalten, insbesondere im Randbereich vorgesehen sein, um den Härteübergang noch breiter zu machen.
Um diesen Prozess sicher zu machen muss sichergestellt sein, dass die Absorptionsmasse, bevor sie erneut in den Ofen kommt, immer eine entsprechend konstante niedrige Temperatur aufweist. Dies kann im Serienprozess auf unterschiedliche Arten während des Rücklaufes der Ofenträger realisiert werden.
Ein großer, exakt einstellbarer und homogener Übergangsbereich von Hart zu Weich bewirkt z.b. dass das Bauteil im Crashfall im Übergangsbereich von Hart zu Weich die auftretenden Spannungen homogen absorbieren kann bzw. "weich" abfedert und somit verhindert, dass das Bauteil partiell zu stark belastet wird und eventuell beim Crash einreißt und zum Bauteilversagen führt.
Ein größerer Übergangsbereich verhindert bei bestimmten Bauteilgeometrien auch, dass das Bauteil im Bereich von im Rohbau eingebrachten Schweißpunkten einreißt .
Ebenso ist es möglich, durch genau definierte duktile Bereiche im Bereich von Schweißpunkten exakt und lagegenau auf das Verhalten des Bauteiles beim Crash einzuwirken.
Um das Aufheizen der Absorptionsmasse durch die übrige Ofenraumatmosphäre zu verringern, können an der dem Bauteil gegenüberliegenden Seite der Absorptionsmasse Wärmeabschirmbleche vorgesehen sein. Diese Wärmeabschirmbleche können aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, insbesondere aus keramischen oder metallischen Werkstoffen. Zudem können über entsprechend gewählte Emissionsgrade (Ober- flächenzustand, Beschichtung, Anstrich) die Wärmeaufnahme der Absorptionsmasse und/oder der Wärmeabschirmbleche durch die Strahlung aus dem Ofenraum gezielt gesteuert werden. Bei der Absorptionsmasse kann die Wärmeaufnahme durch die Strahlung der Platine ebenfalls gezielt beeinflusst werden.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen dabei :
Figur 1: eine Platine mit einer aufgesetzten Absorptionsmasse;
Figur 2: die Aufheizkurve der Platine und der aufgelegten Absorptionsmasse;■
Figur 3: die Platine nach dem Abnehmen der Absorptionsmasse und einer durchgeführten Abkühlung;
Figur 4: schematisch eine Absorptionsmasse, die auf ein fertig geformtes Bauteil aufgelegt ist;
Figur 5: die Darstellung nach Fig. 4 in einer teilgeschnittenen Ansicht;
Figur 6: die Darstellung nach Fig. 4 in einer Draufsicht;
Figur 7: die Darstellung nach Fig. 6 in einer teilgeschnittenen Ansicht;
Figur 8: die Darstellung nach Fig. 4 ein einer geschnittenen Ansicht; Figur 9: eine weitere Ausführungsform, bei der das fertig geformte Bauteil auf einer entsprechend geformten Absorptionsmasse aufliegt;
Figur 10: zwei Aufheizkurven eines Bauteils, wobei die Temperatur im Bereich der darunter liegenden Absorptionsmasse und in einem Bereich ohne Absorptionsmasse gemessen wurde.
Erfindungsgemäß wird bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine Absorptionsmasse beispielsweise in Form eines Stahlquaders auf ein zu austenitisierendes Blech aufgelegt.
Als Absorptionsmasse kommt jede Form von wärmebeständigen Metallen wie Ampco-Legierungen und Stählen, insbesondere auch hitzebeständige Stähle, aber auch keramische Körper in Frage. Ausschlaggebende Kriterien für die Verwendbarkeit sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität. Die Absorptionsmasse besitzt dabei eine äußere Form bzw. Kontur, die gegebenenfalls auch abgestimmt auf das umgeformte Teil den Bereichen entspricht, die weicher verbleiben sollen. Insbesondere kann die Absorptionsmasse selbstverständlich auch eine von der einfachen quaderförmigen Form abweichende, komplexe unregelmäßige Form auch mit Ausnehmungen besitzen.
In Fig. 2 ist eine Aufheizkurve für die Platine und eine Aufheizkurve für Absorptionsmasse gezeigt.
Man erkennt, dass die Absorptionsmasse mit einer erheblichen Verzögerung aufgeheizt wird und während die Platine im nicht abgedeckten Bereich bei 720° aus dem Ofen genommen wird um sie presszuhärten, die Absorptionsmasse und damit auch das darunter liegende Blech eine Temperatur von unter 6000C besitzt, bei der auch ein rasches nachfolgendes Abkühlen nicht zu einer Härtung führt .
Die Platine nach dem Abnehmen der Absorptionsmasse und einem Abkühlen zeigt das Erscheinungsbild nach Fig. 3, wobei man sieht, dass in dem Bereich, in dem die Absorptionsmasse auflag, das Blech ein im Wesentlichen unverändertes helles metallisches Aussehen besitzt. Der Härteübergangsbereich vom harten Bereich zum unter der Absorptionsmasse liegenden weichen Bereich beträgt 20 mm bis 50 mm, insbesondere 20 mm bis 30 mm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Absorptionsmasse eine Form, die auf die Form eines fertig umgeformten Werkstückes abgestimmt wird. Dieses fertig umgeformte Werkstück wird zum Zwecke der Härtung anschließend aufgeheizt und nach dem Aufheizen in einem Formwerkzeug ohne wesentliche Umformung abgekühlt. Während des Aufheizens wird, wie in Fig. 4 gezeigt, entweder die Absorptionsmasse auf das im Ofen liegende Bauteil aufgelegt um das darunter liegende Blech mit einer geringeren Temperatur aus dem Ofen auslaufen zu lassen oder, wie in Fig. 9 gezeigt, das Bauteil so aufgelegt, dass es partiell auf der Absorptionsmasse aufliegt. Der Effekt für das Aufwärmen ist hierbei der gleiche.
In Fig. 10 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem an einem Bauteil während des Aufheizens Temperaturen gemessen wurden, nämlich einmal im Bereich einer darunter liegenden Absorptionsmasse und einmal in einem Bereich, in dem keine Absorptionsmasse vorhanden war. Man sieht anhand des Diagramms, dass die Temperatur des Bauteils oberhalb der Absorptionsmasse in einem unkritischen Bereich liegt, was bedeutet, dass hier aufgrund der erheblich geringeren Erwärmung keine Härte zu erzielen sein wird. Wie bereits ausgeführt, kann die Absorptionsmasse so ausgestaltet sein, dass entweder eine ebene Platine oder ein bereits vorgeformtes Bauteil in den Bereichen, die weicher bleiben sollen, auf dieser Absorptionsmasse aufliegt, gegebenenfalls in manchen Bereichen auch mit einem etwas größeren Luftspalt, insbesondere ein Luftspalt von 4 mm bis 10 mm Dicke um Härteübergänge zu realisieren.
Eine bevorzugte Anwendung der Absorptionsmasse ist beispielsweise die Erzeugung von runden bzw. kreisförmigen weicheren Bereichen an einem Bauteil oder einer Platine, insbesondere im Flanschbereich an Stellen, wo eine Fügung durchgeführt werden soll. Von besonderem Vorteil ist dies für Schweißverbindungen, denn es hat sich gezeigt, dass durch die Wärmebehandlung von verzinkten hochhärtbaren Stahlblechen sich durch das Härten die Oberfläche der Zinkschicht teilweise durch Oxidauflagen so verändert, dass die Schweißbarkeit verringert wird. Werden diese Bereiche mit Absorptionsmassen weich gelassen, insbesondere durch eine Absorptionsmasse, die beispielsweise im Bereich des Flansches lang gestreckt ausgebildet ist und rundliche säulenförmige Vorsprünge besitzt, auf denen das Bauteil aufliegt, können Bereiche erzielt werden, bei denen die Zinkoberfläche nicht nachteilig verändert ist, so dass hier eine sehr gute Schweißbarkeit erhalten bleibt. Auch aus mechanischen Gründen ist dies vorteilhaft, weil die Schweißverbindungen in diesen weicheren Bereichen selbst duktiler bleiben und sogenannte Ausknöpfbrüche ermöglichen, so dass auch ein in der Industrie bevorzugtes Bruchbild erreicht wird.
Die Absorptionsmasse kann nach dem Ofenprozess auf der Rücklaufstrecke der Ofenträger aktiv durch eine Kühlstrecke gekühlt werden. Bevor die Absorptionsmasse erneut in den Ofen kommt, ist durch diese Kühlstrecke sichergestellt, dass die Temperatur der Masse immer eine konstante niedrige Temperatur aufweist. Es können unterschiedliche Kühlmedien verwendet werden um die Absorptionsmasse abzukühlen, wie zum Beispiel Pressluft oder Stickstoff.
Die Ofenträger können in der Weise modifiziert werden, dass man die Absorptionsmasse mittels Roboter oder geeigneter Vorrichtung auf die Ofenträger aufstecken und abziehen kann. Dies kann im Serienprozess wie folgt realisiert werden. Die Ofenträger werden oberhalb des Ofens zurückgeführt. Dabei verweilen die Ofenträger für ca. 20 Sekunden immer an derselben Stelle. Dort kann ein Roboter oder eine geeignete Vorrichtung positioniert werden, welcher die heiße Absorptionsmasse aus seiner Halterung entnimmt und anschließend eine kalte Absorptionsmasse aufsteckt. Die heiße Absorptionsmasse kann einem Kühlkreislauf (aktiv oder passiv) zugeführt werden, der die heiße Absorptionsmasse bis zur Wiederverwendung abkühlt. So wird sichergestellt, dass die Absorptionsmasse während des Ofenprozesses immer dieselbe Energie dem Bauteil im Ofen entzieht .
Dem partiellen Austenitisieren kann ein partielles Presshärten folgen .
Die Vorteile der Erfindung sind:
- Die Bauteilgeometrie wird prozesssicher gewährleistet, da das Bauteil beim Presshärten während des Abkühlens im Presswerkzeug gehalten wird.
- keine Erhöhung von Taktzeiten beim Presshärten
- kein extra Anlassen notwendig - Es sind beliebige Festigkeiten zwischen 500 MPa und 1.500 MPa, je nach eingesetzter Absorptionsmasse auf den Ofenträgern gezielt erreichbar.
- überschaubare Investitionskosten
- Die Größe des jeweils duktilen Bereiches kann je nach Anwendungsfall frei variiert werden.
- relativ schmaler Härteübergangsbereich zwischen hart und weich
Um keine Oberflächenverschmutzungen oder Ausblühungen der Bauteiloberfläche durch die anliegende Absorptionsmasse zu erzeugen muss sichergestellt sein, dass die Auflagefläche der Absorptionsmasse nicht verschmutzt ist und nicht durch den ständigen Aufheiz- und Abkühlvorgangvorgang verzundert. Es ist entweder ein geeignetes Material als Absorptionsmasse zu verwenden oder eine entsprechende Oberflächenbeschichtung von Vorteil.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Temperaturerhöhung unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht und die Platine nach Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit in ein Umformwerkzeug überführt wird, in dem die Platine zu einem Bauteil umgeformt und gleichzeitig abschreckgehärtet wird oder die Platine kalt umgeformt wird und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das erhitzte Bauteil abgekühlt und dadurch abschreckgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erhitzens der Platine oder des Bauteils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur in Bereichen, die eine geringere Härte und/oder höhere Duktilität besitzen sollen, Absorptionsmassen anliegen und/oder mit einem geringen Spalt beabstandet sind, wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Wärmekapazität und/oder hinsichtlich ihres Emissionsgrades so dimensioniert ist, dass die in dem duktil verbleibenden Bereich auf das Bauteil einwirkende Wärme- energie durch das Bauteil hindurch in die Absorptionsmasse fließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absorptionsmasse verwendet wird, die aus einem wärmefesten Metall, wie einer Ampco-Legierung, einem Stahl oder dergleichen besteht, wobei die Absorptionsmasse mit zumindest einer Fläche so konturiert ausgebildet ist, dass sie an der Platine oder dem Bauteil anliegt und/oder mit einem geringen Spalt, insbesondere ein Spalt mit 0,5 mm bis 2 mm Dicke beabstandet ist oder zum Einstellen von Härteübergangsbereichen teilbereichsweise mit etwas größeren Luftspalten, insbesondere Spalte mit 4 bis 10 mm Dicke von der Platine oder dem Bauteil beabstandet ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsmasse oder die Absorptionsmassen auf einem Träger angeordnet sind, mit dem die Platine oder das Bauteil durch eine Erhitzungseinrichtung, wie ein Ofen, hindurchgeführt wird und die Platine oder das Bauteil während des Durchlaufs durch die Erhitzungseinrichtung auf der Absorptionsmasse oder den Absorptionsmassen aufliegt .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder mehreren Flächen der Absorptionsmasse, die zum Ofenraum hin gerichtet sind, Abschirmbleche vorhanden sind, die die Absorptionsmasse gegen Strahlung aus dem Ofenraum abschirmen.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahme der Absorptionsmasse aus dem Ofenraum und/oder vom Bauteil durch Einstellung der Emissionsgrade der Oberfläche der Absorptionsmasse gesteuert wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahme der Abschirmbleche aus dem Ofenraum durch Einstellung der Emissionsgrade der Oberfläche der Abschirmbleche gesteuert wird.
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