EP2569112A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils aus einem eisen-mangan-stahlblech - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils aus einem eisen-mangan-stahlblech

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EP2569112A1
EP2569112A1 EP11720423A EP11720423A EP2569112A1 EP 2569112 A1 EP2569112 A1 EP 2569112A1 EP 11720423 A EP11720423 A EP 11720423A EP 11720423 A EP11720423 A EP 11720423A EP 2569112 A1 EP2569112 A1 EP 2569112A1
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EP
European Patent Office
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sheet metal
metal workpiece
workpiece
calibration
temperature
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EP11720423A
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Ludovic Samek
Martin Peruzzi
Enno Arenholz
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Voestalpine Stahl GmbH
Original Assignee
Voestalpine Stahl GmbH
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    • B21D22/20—Deep-drawing
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from an iron-manganese steel sheet.
  • Iron-manganese steels are lightweight steels that can have high strength and high ductility at the same time. This makes iron-manganese steels a material with great potential in vehicle construction. A high material strength allows a reduction of the body weight, where ⁇ by the fuel consumption can be reduced. High extensibility and stability of the steels is important both for the production of the body parts by deep-drawing processes and for their crash behavior. For example, structure and / or safety parts such as
  • Door impact beams, A- and B-pillars, bumpers or longitudinal and transverse beams can realize complex component geometries and at the same time achieve the weight targets and safety requirements.
  • Hot forming Conventional hot forming processes are carried out at high temperatures of about 900 ° C or above. Hot working reduces both springback of the formed component and strain hardening in formed areas. Thus, with the hot forming technique complex deep drawn parts can be produced without appreciable spring-back in one go.
  • a disadvantage of hot forming is the high process temperatures and the material-dependent reduction in the strength of the component after the cooling process, caused by the hot forming.
  • hot forming is often combined with hardening technology. This is based on the known possibility of strengthening of steel materials by martensite formation. Upon curing an austenitic structure is generated by a heating of the component on the so-called hardness ⁇ temperature above Ac3, which is subsequently converted by rapid cooling TENSIT completely in Mar-. Condition for the full Mar- TENSIT conversion is that a critical Abkühlge ⁇ speed is exceeded. For this purpose, it requires cooled pressing tools that allow a sufficiently rapid cooling of the workpiece by contact of the hot workpiece surface with the cold tool surface.
  • An object of the invention is based can be seen to provide a method with which the production of formed parts made of iron-manganese steel sheet with good mechanical properties is made possible cost.
  • the method should be the Manufacture of formed sheet metal workpieces with complex component geometry and favorable material properties even in formed component areas.
  • the problem underlying the invention is solved by the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments and refinements are specified in the dependent claims.
  • Sheet metal workpiece is calibrated in a calibration tool.
  • elevated temperatures can be achieved that a cold work hardening occurred in the cold forming is degraded again in the formed areas.
  • homogenization of the mechanical properties over the entire component can thereby be achieved. Further advantages of the inventive method is to se ⁇ hen that embrittlement than the calibration of the heated component both the risk of delayed cracking by hydrogen-also the resilience of the component after removal from the calibration are substantially reduced.
  • the degree of degradation of strain hardening in the reformed part regions can be controlled by the choice of temperature. At high temperatures, the strength of the molded areas are even lowered below the strength in not or we ⁇ niger heavily deformed areas. In order to avoid excessive degradation of work hardening, a temperature between 600 ° C and 680 ° C may be advantageous.
  • a temperature between 600 ° C and 680 ° C may be advantageous.
  • the initial temperature may be Tempe ⁇ during calibration also in the specified range between 500 ° C and 700 ° C.
  • a cooling of the formed sheet metal workpiece takes place in a held or fixed state.
  • the residence time of the sheet metal workpiece in the furnace can be so ge be ⁇ selected so that a homogeneous heating of the sheet metal workpiece is ensured, taking into account that with increasing thickness of the sheet metal workpiece .rwei- se an extension of the time duration for the warming-up operation to be estimated is.
  • the heating temperature of the converted shaped sheet metal workpiece of importance For the reduction of strain hardening in formed sections of the sheet metal workpiece, the heating temperature of the converted shaped sheet metal workpiece of importance.
  • it can be adjusted so that the Kaltver ⁇ fortification in the reshaped portions of the (transformed)
  • Blechwerk Spanish by the calibration by at least 70%, in particular at least 80%, is degraded.
  • the Erracer ⁇ mung temperature of the sheet metal workpiece can be adjusted so that the calibrated sheet workpiece over its entire geometry of a maximum fluctuation range of the tensile strength of
  • Fig. 1 is a schematic representation of a sequence of
  • Fig. 2 is a graph in which the hardness of a formed component is plotted against a distance from the Umformort.
  • the component may be, for example, a body component for vehicle construction.
  • the chassis ⁇ riebauteil may have a complex part geometry. It may be a structural and / or safety part, which may be required to meet special security requirements at Be ⁇ lastungsfall (crash).
  • the component may be an A or B pillar, a side pillar Impact protection zhari in doors, a sill, a frame part, a bumper, a cross member for floor and roof or to act on a front or rear side member.
  • the component consists of an iron-manganese (FeMn) steel.
  • FeMn components are known in the vehicle and may have a manganese ⁇ content of about 12 to 35 wt%.
  • TWIP, TRIP / TWIP and TRIPLEX steels as well as mixed forms of these steels can be used.
  • TWining steels are austenitic steels. They are characterized by a high manganese content (for example over 25%) and relatively high alloying additions of aluminum and silicon. In cold plastic deformation, intensive twin formation takes place, which solidifies the steel. TWIP steels have a high elongation at break. They are therefore particularly suitable for the production of structural or safety components in accident-relevant areas of the body.
  • TRIP / TWIP steels are combinations of TWIP and TRIP steels (TRANSformation Induced Plasticity).
  • TRIP steels are ⁇ be essentially of a plurality of phases of iron-carbon alloys, namely ferrite, bainite and carbon-rich residual austenite.
  • the TRIP effect is based on the deformation-induced transformation of residual austenite into the high-strength martensitic phase (CC martensite).
  • CC martensite high-strength martensitic phase
  • TRIP / TWIP steels a double TRIP effect occurs because the austenitic structure is first converted into the hexagonal and then into the ku ⁇ bisch centered martensite. Due to the two martensitic transformations TRIP / TWIP steels have a double expansion reserve.
  • TRIPLEX steels consist of a multiphase microstructure of 0C ferrite and ⁇ -austenite mixed crystals with a martensitic s-phase
  • combinations of said steels may be used in embodiments of the invention.
  • the list of examples of the above steel is not from ⁇ closing, other FeMn steels can likewise for the invention if used.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment of a method according to the invention, wherein also optional Ver ⁇ drive steps are shown.
  • the starting point of procedural rensablaufs a coil of steel strip 1 as example ⁇ example is made in a steel mill and to a customer (eg vehicle manufacturer or supplier) is shipped.
  • the FeMn strip steel may be, for example, a cold-rolled and annealed steel. However, it is also possible to use a hot-rolled steel.
  • the manufacturing process of FeMn strip steel in the steel plant should be designed from ⁇ that a good cold formability of the steel is guaranteed.
  • the steel strip is then cut, for example, in the vehicle manufacturer or supplier in FeMn boards 2. The cutting takes place in a cutting station.
  • One or more boards 2 are then placed in a cold forming tool 3 and cold formed.
  • the temperatures in the cold forming tool can be in the usual range, for example at about 70 ° C to 80 ° C. Furnaces are not used to realize these temperatures.
  • the residence time of the workpiece in the cold forming tool 3 is typically without any significant influence on the workpiece properties.
  • locally different strengths are achieved depending on the component geometry. The greater the local degree of deformation, the higher the corresponding strength value. This effect is also called cold work hardening. It can strong Kaltverfesti ⁇ conditions occur up to about 1800 MPa. The tensile strength of the
  • MPa are, the yield strength, for example, R p0 .2 ⁇ 600 MPa and the elongation at break A of the starting material may be, for example, 40% or more (A> 40%).
  • the Kaltumformwerkmaschine 3 can be implemented in the form ei ⁇ ner deep drawing press.
  • This crop may be the final crop of the
  • any necessary punching or the creation of a hole pattern in the cold forming tool 3 can be made. Ie, after the cold forming a component with fully ready meals imputed component shape in terms of material removing Prozes ⁇ se may already exist.
  • the residence time may be minutes in the oven 10, where 5 min used for the achievement of homogeneous Temperaturvertei ⁇ lung and another 5 min for holding the component at this homogeneous temperature.
  • a radiation furnace can be used or it can be provided furnaces that supply the workpiece in another way energy.
  • a convective heating, an inductive heating or an infrared heating, as well as combinations of said mechanisms may be used.
  • the heated to the target temperature between 500 ° C and 700 ° C, formed workpiece is then removed from the oven 4, placed in a calibration tool 5 and fixed there in the desired shape and cooled.
  • the temperature of the workpiece at the beginning of the calibration process may also be lower than the temperature of the workpiece during removal from the furnace, it may in particular be between 400 ° C and 700 ° C.
  • the calibration tool 5 may be, for example act a sizing press. Calibration ensures the dimensional accuracy of the workpiece.
  • the surface geometry of the pressing surfaces of the tool corresponds to the final shape of the workpiece or is very close to the final shape, since the calibration in the calibration tool significantly reduces springback. By holding the workpiece in the calibration tool in the desired shape thus the workpiece is given the final shape.
  • the cooling of the workpiece takes place in the calibration tool 5 when the workpiece is fixed, ie when the workpiece surfaces abut the tool surfaces.
  • the heat dissipation takes place via the tool.
  • the cooling rate may be, for example unge ⁇ ferry 30 ° C / s, however, is likely to be critical since Toggle DERS than the press hardening no critical Abkühlgeschwindig ⁇ ness must be exceeded.
  • the Ab ⁇ cooling rate may be less than 50 ° C / s, which is achievable without size ⁇ ren tool technical effort and in many cases allows sufficient short cycle times. Higher cooling rates, for example in the range from 50 ° C / s to 150 ° C / s, are also possible.
  • the calibration tool 5 may have a cooling device (eg water cooling).
  • a cooling device eg water cooling
  • Another possibility is to realize the furnace 4 and the calibration tool 5 in one and the same ⁇ press station, ie to provide a calibration tool 5, which is coupled to a furnace.
  • coated FeMn steels can be used for the process.
  • the sheet metal workpiece can be coated with an organic and / or inorganic or metallic coating, in particular an alloy based on zinc or aluminum.
  • the coating can be done before cold forming or at another time, eg after calibration.
  • a cathodic corrosion protection is effected for example by a galvanizing.
  • the coating can be carried out electrolytically or by a hot-dip method before the cold-forming step 3 (for example, already at the steel manufacturer on the coil 1) or after the cold-forming step 3 and before heating in the furnace 4.
  • a mixed crystal layer forms between the FeMn steel and the Zn coating in the case of a Zn coating, which ensures good adhesion of the Zn layer on the component.
  • Fig. 2 relates to further embodiments of the hand at ⁇ Fig.
  • Fig. 2 shows for the cold-drawn, not him ⁇ warmed cups work hardening in the range of
  • the hot calibration according to the invention leads to the reduction of strain hardening in the wells.

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Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Eisen-Mangan-Stahlblech (1) wird ein Blechwerkstück (2) in einem Formwerkzeug (3) kalt umgeformt. Das umgeformte Blechwerkstück wird auf eine Temperatur zwischen 500°C und 700°C erwärmt (4) und in einem Kalibrierwerkzeug (5) kalibriert.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Eisen- Mangan-Stahlblech
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Eisen-Mangan-Stahlblech.
Eisen-Mangan-Stähle sind Leichtbaustähle, die eine hohe Fe- stigkeit und gleichzeitig eine hohe Dehnbarkeit aufweisen können. Dies macht Eisen-Mangan-Stähle zu einem Werkstoff mit großem Potential im Fahrzeugbau. Eine hohe Werkstofffestig- keit ermöglicht eine Reduzierung des Karosseriegewichts, wo¬ durch der Kraftstoff erbrauch gesenkt werden kann. Eine hohe Dehnungsfähigkeit und Stabilität der Stähle ist sowohl für die Herstellung der Karosserieteile durch Tiefziehprozesse als auch für deren Crash-Verhalten von Bedeutung. Beispielsweise müssen Struktur und/oder Sicherheitsteile wie z.B.
Türaufprallträger, A- und B-Säulen, Stoßfänger oder Längs- und Querträger komplexe Bauteilgeometrien realisieren und gleichzeitig die Gewichtsziele und Sicherheitsanforderungen erreichen können.
Es ist bereits bekannt, Karosseriebauteile aus Eisen-Mangan- Stahlblech durch Kaltumformung herzustellen. Die Kaltumformung führt jedoch durch Kaltverfestigung in umgeformten Bereichen zu einer Verminderung der Verformbarkeit und somit zu einer Reduzierung des Energieabsorptionspotentials im Bela¬ stungsfall (Crash) . Solche durch die Kaltverfestigung bewirk- ten inhomogenen mechanischen Bauteileigenschaften können dazu führen, dass das Bauteil die Sicherheitsanforderungen nicht erreicht. Weitere Nachteile der Kaltumformtechnik bestehen darin, dass sie das Risiko der verzögerten Rissbildung durch Wasserstoffversprödung erhöht, das umgeformte Teil ein deut- liches Rückfederungsverhalten (sogenannter „spring back"- Effekt) zeigt und kalt umgeformte Bauteile eine unzureichende numerische Simulierbarkeit des Bauteilverhaltens im Bela¬ stungsfall aufweisen. Die Warmumformung bietet eine bekannte Alternative zum
Kaltumformverfahren. Übliche Warmumformprozesse werden bei hohen Temperaturen von etwa 900 °C oder darüber ausgeführt. Das Warmumformen vermindert sowohl die Rückfederung des umgeformten Bauteils als auch die Kaltverfestigung in umgeformten Bereichen. Somit lassen sich mit der Warmumformtechnik komplexe Tiefziehteile ohne nennenswerte Rückfederung in einem Zug herstellen. Nachteilig bei der Warmumformung sind jedoch die hohen Prozesstemperaturen und die durch das Warmumformen bewirkte, Werkstoffabhängige Verminderung der Festigkeit des Bauteils nach dem Abkühlprozess .
Um die Festigkeitsverminderung zu vermeiden, wird die Warmumformung häufig mit der Härtetechnik kombiniert. Diese beruht auf der bekannten Möglichkeit der Festigungssteigerung von Stahlwerkstoffen durch Martensit-Bildung . Beim Härten wird durch eine Erwärmung des Bauteils auf die sogenannte Härte¬ temperatur oberhalb Ac3 ein austenitisches Gefüge erzeugt, das anschließend durch schnelles Abkühlen vollständig in Mar- tensit umgewandelt wird. Bedingung für die vollständige Mar- tensit-Umwandlung ist dabei, dass eine kritische Abkühlge¬ schwindigkeit überschritten wird. Hierfür bedarf es gekühlter Presswerkzeuge, die durch Kontakt der heißen Werkstückoberfläche mit der kalten Werkzeugoberfläche eine ausreichend schnelle Abkühlung des Werkstückes ermöglichen.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung kann darin gesehen werden, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem kostengünstig die Herstellung umgeformter Bauteile aus Eisen-Mangan-Stahlblech mit guten mechanischen Eigen- schaffen ermöglicht wird. Insbesondere soll das Verfahren die Herstellung von umgeformten Blechwerkstücken mit komplexer Bauteilgeometrie und günstigen Materialeigenschaften auch in umgeformten Bauteilbereichen erlauben. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus¬ gestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteils aus einem Eisen-Mangan-Stahlblech zur Verfügung gestellt, bei welchem ein Blechwerkstück in einem Formwerkzeug kalt umgeformt wird, das umgeformte Bleckwerkstück auf eine Temperatur zwischen 500°C und 700°C erwärmt wird und das erwärmte
Blechwerkstück in einem Kalibrierwerkzeug kalibriert wird. Durch das Kalibrieren des umgeformten Blechwerkstückes bei den angegebenen, erhöhten Temperaturen kann erreicht werden, dass eine bei der Kaltumformung eingetretene Kaltverfestigung in den umgeformten Bereichen wieder abgebaut wird. Insbeson- dere kann dadurch eine Homogenisierung der mechanischen Eigenschaften über das gesamte Bauteil erreicht werden. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu se¬ hen, dass durch das Kalibrieren des erwärmten Bauteils sowohl das Risiko der verzögerten Rissbildung durch Wasserstoffver- sprödung als auch die Rückfederung des Bauteils nach der Entnahme aus dem Kalibrierwerkzeug wesentlich reduziert sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei den genannten Temperatu¬ ren die Austenitisierungstemperatur Ac3 nicht überschritten wird, d.h. dass beim Erwärmen keine Umwandlung des Werkstück- gefüges in ein vollständig austenitisches Gefüge auftritt.
Der Grad des Abbaus der Kaltverfestigung in den umgeformten Bauteilbereichen kann durch die Wahl der Temperatur gesteuert werden. Bei hohen Temperaturen kann die Festigkeit der umge- formten Bereiche sogar unter die Festigkeit in nicht oder we¬ niger stark umgeformten Bereichen abgesenkt werden. Um einen zu starken Abbau der Kaltverfestigung zu vermeiden, kann eine Temperatur zwischen 600°C und 680°C vorteilhaft sein. Zum Er- wärmen des umgeformten Blechwerkstückes auf die beim Kali¬ brieren benötigte erhöhte Temperatur kann das umgeformte Blechwerkstück in einem Ofen erwärmt und nach der Erwärmung in das Kalibrierwerkzeug eingelegt werden. Denkbar ist auch, dass die Erwärmung des Blechwerkstückes direkt im Kalibrier- Werkzeug stattfindet. In beiden Fällen kann die Anfangstempe¬ ratur beim Kalibrieren ebenfalls in dem angegebenen Bereich zwischen 500°C und 700°C liegen. Beim Kalibrieren findet dann eine Abkühlung des umgeformten Blechwerkstücks in einem gehaltenen bzw. fixierten Zustand statt.
Die Verweildauer des Blechwerkstückes in dem Ofen kann so ge¬ wählt werden, dass eine homogene Durchwärmung des Blechwerkstückes gewährleistet wird, wobei zu berücksichtigen ist, dass mit zunehmender Dicke des Blechwerkstückes typischerwei- se eine Verlängerung der Zeitdauer für den Aufwärmvorgang zu veranschlagen ist.
Im Kalibrierwerkzeug wird eine rasche Abkühlung des
Blechwerkstückes im gehaltenen Zustand vorgenommen. Da bei der Abkühlung keine wie beim sogenannten Presshärten erforderliche Gefügeumwandlung vom Austenit-Gefüge in das Marten- sit-Gefüge bewirkt werden muss, muss nicht die aus dem Press¬ härten bekannte kritische minimale Abkühlrate eingehalten werden, d.h. die Abkühlgeschwindigkeit in dem Kalibrierwerk- zeug kann nach anderen Gesichtspunkten (beispielsweise Taktzeiten, Betriebskosten, Werkzeugskosten, etc.) festgelegt werden .
Für den Abbau der Kaltverfestigung in umgeformten Abschnitten des Blechwerkstückes ist die Erwärmungstemperatur des umge- formten Blechwerkstückes von Bedeutung. In einem Ausführungs¬ beispiel kann diese so eingestellt werden, dass die Kaltver¬ festigung in umgeformten Abschnitten des (umgeformten)
Blechwerkstückes durch die Kalibrierung um mindestens 70%, insbesondere mindestens 80%, abgebaut wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Erwär¬ mungstemperatur des Blechwerkstückes so eingestellt werden, dass das kalibrierte Blechwerkstück über seine gesamte Geome- trie eine maximale Schwankungsbreite der Zugfestigkeit von
20%, insbesondere 10%, aufweist. Mit anderen Worten ist eine weitgehende Homogenisierung der mechanischen Bauteileigenschaften in Bezug auf die Zugfestigkeit erreichbar. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in beispielhafter Weise näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Abfolge von
Verfahrensschritten nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 ein Schaubild, in welchem die Härte eines umgeformten Bauteils gegenüber einer Distanz vom Umformort aufgetragen ist.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele für ein Herstel¬ lungsverfahren eines Bauteils aus Eisen-Mangan-Stahlblech beschrieben. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Karosseriebauteil für den Fahrzeugbau handeln. Das Karosse¬ riebauteil kann eine komplexe Bauteilgeometrie aufweisen. Es kann sich um ein Struktur- und/oder Sicherheitsteil handeln, das gegebenenfalls besondere Sicherheitsanforderungen im Be¬ lastungsfall (Crash) genügen muss. Beispielsweise kann es sich bei dem Bauteil um eine A- oder B-Säule, einen Seiten- aufprallschut zträger in Türen, einen Schweller, ein Rahmenteil, ein Stoßstangenfänger, ein Querträger für Boden und Dach oder um einen vorderen oder hinteren Längsträger handeln .
Das Bauteil besteht aus einem Eisen-Mangan (FeMn) -Stahl . FeMn- Bauteile sind im Fahrzeugbau bekannt und können einen Mangan¬ gehalt von etwa 12 bis 35 Gew% aufweisen. Verwendbar sind beispielsweise TWIP-, TRIP/TWIP- und TRIPLEX-Stähle sowie Mischformen dieser Stähle.
TWIP-Stähle (TWining Induced Plasticity) sind Austenit- Stähle. Sie zeichnen sich durch einen hohen Mangangehalt (z.B. über 25%) und relativ hohe Legierungszusätze von Alumi- nium und Silizium aus. Bei plastischer Kaltverformung findet eine intensive Zwillingsbildung statt, der den Stahl verfestigt. TWIP-Stähle weisen eine hohe Bruchdehnung auf. Sie eignen sich deshalb besonders zur Herstellung von Strukturoder Sicherheitsteilen in unfallrelevanten Bereichen der Ka- rosserie.
TRIP/TWIP-Stähle sind Kombinationen aus TWIP- uns TRIP- Stählen (TRansformation Induced Plasticity) . TRIP-Stähle be¬ stehen im Wesentlichen aus mehreren Phasen von Eisen- Kohlenstoff-Legierungen, nämlich Ferrit, Bainit und kohlen- stoffreichem Rest-Austenit . Der TRIP-Effekt basiert auf der Verformungs-induzierten Umwandlung des Rest-Austenits in die hochfeste martensitische Phase (CC-Martensit ) . Bei TRIP/TWIP- Stählen tritt ein doppelter TRIP-Effekt auf, da das austeni- tische Gefüge zunächst in das hexagonale und dann in das ku¬ bisch raumzentrierte Martensit gewandelt wird. Aufgrund der zwei martensitischen Umwandlungen weisen TRIP/TWIP-Stähle eine doppelte Dehnungsreserve auf. TRIPLEX-Stähle bestehen aus einem mehrphasigen Gefüge aus 0C- Ferrit und γ-Austenit-Mischkristallen mit einer martensiti- schen s-Phase und/oder K-Phase. Sie weisen eine gute Umform- barkeit auf.
Ferner können Kombinationen der genannten Stähle bei Ausführungsbeispielen der Erfindung zum Einsatz kommen. Die beispielhafte Aufzählung der oben genannten Stähle ist nicht ab¬ schließend, andere FeMn-Stähle können für die Erfindung eben- falls eingesetzt werden.
Fig. 1 zeigt in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei auch optionale Ver¬ fahrensschritte dargestellt sind. Ausgangspunkt des Verfah- rensablaufs ist ein Coil 1 aus Bandstahl, wie es beispiels¬ weise in einem Stahlwerk hergestellt und an einen Kunden (z.B. Fahrzeughersteller oder Zulieferer) ausgeliefert wird. Bei dem FeMn-Bandstahl kann es sich beispielsweise um einen kaltgewalzten und geglühten Stahl handeln. Es ist jedoch auch möglich, einen warmgewalzten Stahl einzusetzen. Der Herstel- lungsprozess des FeMn-Bandstahls im Stahlwerk sollte so aus¬ gestaltet sein, dass eine gute Kaltumformbarkeit des Stahls gewährleistet ist. Der Bandstahl wird dann z.B. beim Fahrzeughersteller oder Zulieferer in FeMn-Platinen 2 geschnitten. Das Schneiden erfolgt in einer Schneidestation.
Eine oder mehrere Platinen 2 werden dann in ein Kaltumform- Werkzeug 3 eingelegt und kalt umgeformt. Die Temperaturen im Kaltumformwerkzeug können im üblichen Bereich, z.B. bei ca. 70°C bis 80°C liegen. Öfen werden zur Realisierung dieser Temperaturen nicht verwendet. Die Verweildauer des Werkstücks in dem Kaltumformwerkzeug 3 ist typischerweise ohne wesentli- chen Einfluss auf die Werkstückeigenschaften. Bei der Kaltumformung werden in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie lokal unterschiedliche Festigkeiten erzielt. Je größer der lokale Umformungsgrad ist, um so höher liegt der entsprechende Festigkeitswert. Dieser Effekt wird auch als Kaltverfestigung bezeichnet. Es können starke Kaltverfesti¬ gungen bis zu etwa 1800 MPa auftreten. Die Zugfestigkeit des
Ausgangsmaterials (Platine 2) kann z.B. etwa bei Rm ~ 1100
MPa liegen, die Dehngrenze z.B. Rp0.2 ~ 600 MPa betragen und die Bruchdehnung A des Ausgangsmaterials kann z.B. 40% oder mehr betragen (A > 40%) . Beim Kaltumformen kann der Rückfederung Rechnung getragen werden und das Werkstück über sein endgültiges Geometriemaß hinaus umgeformt werden. Dies ist aufgrund der nachfolgenden Prozessschritte jedoch nicht zwin- gend erforderlich. Das Kaltumformwerkzeug 3 kann in Form ei¬ ner TiefZiehpresse realisiert sein.
Ferner ist es möglich, dass in dem Kaltumformwerkzeug 3 gleichzeitig ein Beschnitt des Werkstückes vorgenommen wird. Bei diesem Beschnitt kann es sich um den Endbeschnitt des
Bauteils handeln. Ferner können gegebenenfalls erforderliche Ausstanzungen bzw. die Erzeugung eines Lochbildes im Kaltumformwerkzeug 3 vorgenommen werden. D.h., nach dem Kaltumformschritt kann bereits ein Bauteil mit vollständig fertigge- stellter Bauteilform in Bezug auf materialentfernende Prozes¬ se vorliegen.
Es ist auch möglich, dass materialentfernende Prozesse
(Beschnitt, Lochbilderzeugung etc.) in einer Schneidstraße (nicht dargestellt) vorgenommen werden, die außerhalb und hinter dem Kaltumformwerkzeug 3 (welches sich in der soge¬ nannten Pressenstraße befindet) angeordnet ist. Auch in die¬ sem Fall kann nach dem Beschnitt bzw. der Lochbilderzeugung in Bezug auf materialentfernende Prozesse bereits das Endbau- teil vorliegen. Das kalt umgeformte und gegebenenfalls beschnittene Werkstück wird anschließend einem Ofen 4 zugeführt und dort auf eine Temperatur zwischen 500 °C und 700 °C erwärmt. Die Erwärmung sollte solange durchgeführt werden, dass das Bauteil homogen auf eine einheitliche Temperatur (T = 500°C - 700°C) gebracht wird. Mit Erreichen der einheitlichen Temperatur kann es für eine gewisse Zeit auf dieser Temperatur gehalten werden. Beispielsweise kann die Verweildauer im Ofen 10 min betragen, wobei 5 min für das Erreichen der homogenen Temperaturvertei¬ lung und die weiteren 5 min für das Halten des Bauteils bei dieser homogenen Temperatur verwendet werden. Da mit der Temperaturerhöhung jedoch keine für die Bauteileigenschaften ausschlaggebende Gefügeumwandlung verbunden ist, sollte der Erwärmungsschritt auch ohne Haltezeit durchführbar sein. Es ist möglich, dass die Ofentemperatur deutlich höher als die gewünschte Zieltemperatur T = 500°C - 700°C des Werkstückes liegt und die Werkstücktemperatur über die Verweildauer im Ofen 4 gesteuert wird.
Als Ofen 4 kann ein Strahlungsofen eingesetzt werden oder es können Öfen vorgesehen sein, die dem Werkstück auf andere Weise Energie zuführen. Beispielsweise können eine konvektive Erwärmung, eine induktive Erwärmung oder eine Infrarot- Erwärmung sowie Kombinationen der genannten Mechanismen verwendet werden.
Das auf die Zieltemperatur zwischen 500°C und 700°C erwärmte, umgeformte Werkstück wird dann aus dem Ofen 4 entnommen, in ein Kalibrierwerkzeug 5 eingelegt und dort in der gewünschten Form fixiert und abgekühlt. Die Temperatur des Werkstücks beim Beginn des Kalibriervorgangs kann auch niedriger sein als die Temperatur des Werkstücks bei der Entnahme aus dem Ofen, sie kann insbesondere zwischen 400°C und 700°C liegen. Bei dem Kalibrierwerkzeug 5 kann es sich beispielsweise um eine Kalibrierpresse handeln. Das Kalibrieren gewährleistet die Maßhaltigkeit des Werkstückes. Die Oberflächengeometrie der Pressflächen des Werkzeugs entspricht der Endform der Werkstücks oder ist sehr endformnah, da durch die Kalibrie- rung in dem Kalibrierwerkzeug die Rückfederung deutlich reduziert wird. Durch das Halten des Werkstücks im Kalibrierwerkzeug in der gewünschten Form wird somit dem Werkstück die Endform verliehen. Die Abkühlung des Werkstücks erfolgt in dem Kalibrierwerkzeug 5 bei fixiertem Werkstück, d.h. bei Anlage der Werkstückoberflächen an den Werkzeugoberflächen. Die Wärmeabfuhr erfolgt über das Werkzeug. Die Abkühlgeschwindigkeit kann z.B. unge¬ fähr 30°C/s betragen, dürfte jedoch unkritisch sein, da an- ders als beim Presshärten keine kritische Abkühlgeschwindig¬ keit überschritten werden muss. Beispielsweise kann die Ab¬ kühlgeschwindigkeit kleiner als 50°C/s sein, was ohne größe¬ ren werkzeugtechnischen Aufwand erreichbar ist und in vielen Fällen ausreichend kurze Taktzeiten ermöglicht. Höhere Ab- kühlraten, beispielsweise im Bereich von 50°C/s bis 150°C/s, sind ebenfalls möglich. Das Kalibrierwerkzeug 5 kann eine Kühleinrichtung (z.B. Wasserkühlung) aufweisen. Durch die Erwärmung und das nachfolgende „gehaltene" Abkühlen des Werk¬ stücks in fixierter Werkstückgeometrie wird die in den Berei- chen starker Dehnung erzielte Kaltverfestigung abgebaut, d.h. verringert, egalisiert oder gegebenenfalls sogar überkompen¬ siert, wie dies noch später im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wird. Die Temperatur des erwärmten Werkstücks zu Beginn der Kalibrierung kann ebenfalls den angegebenen Bereich von T = 500°C bis 700°C oder nur geringfügig darunter betragen. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass der Transportweg zwischen dem Ofen 4 und dem Kalibrierwerkzeug 5 kurz ist und/oder dass das erwärmte Werkstück auf dem Transportweg zwischen dem Ofen 4 und dem Kalibrierwerkzeug 5 z.B. durch Wärmestrahlung erwärmt bzw. warmgehalten wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Ofen 4 und das Kalibrierwerkzeug 5 in ein und der¬ selben Pressenstation zu verwirklichen, d.h. ein Kalibrier- Werkzeug 5 vorzusehen, welches mit einem Ofen gekoppelt ist.
Die anhand Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiele der Er¬ findung können in vielfacher Hinsicht modifiziert und weitergebildet werden. Beispielsweise können beschichtete FeMn- Stähle für das Verfahren eingesetzt werden. Das Blechwerkstück kann mit einer organischen und/oder anorganischen oder metallischen Beschichtung, insbesondere einer Legierung auf Basis von Zink oder Aluminium, beschichtet werden. Die Beschichtung kann vor dem Kaltumformen oder zu einem anderen Zeitpunkt, z.B. nach dem Kalibrieren, vorgenommen werden.
Ein kathodischer Korrosionsschutz wird beispielsweise durch eine Verzinkung bewirkt. Die Beschichtung kann elektrolytisch oder durch ein Schmelztauchverfahren vor dem Kaltumform- schritt 3 (z.B. am schon beim Stahlhersteller am Coil 1) oder auch nach dem Kaltumformschritt 3 und vor der Erwärmung im Ofen 4 vorgenommen werden. Durch die Wärmebehandlung vor oder während des Kalibrierens bildet sich bei einer Zn-Beschich- tung eine Mischkristallschicht zwischen dem FeMn-Stahl und der Zn-Beschichtung aus, die für eine gute Haftung der Zn- Schicht auf dem Bauteil sorgt. Es ist auch möglich, die Be¬ schichtung (z.B. Verzinkung) erst am fertigen Bauteil, d.h. nach dem Kalibrieren in dem Kalibrierwerkzeug 5 vorzunehmen. Fig. 2 bezieht sich auf weitere Ausführungsbeispiele des an¬ hand Fig. 1 beispielhaft erläuterten Verfahrens und illu¬ striert den Abbau der Kaltverfestigung in Abhängigkeit von der beim Erwärmen erreichten Werkstücktemperatur. Dargestellt ist die Vickershärte Hv in Abhängigkeit von der Entfernung von dem Ort der Umformung. Verwendet wurde eine Platine 2, die aus einem kaltgewalzten, geglühten FeMn-Bandstahl geschnitten wurde. Die Platine 2 wies eine Zugfestigkeit Rm ~ 1100 MPa auf, die der Zugfestigkeit des Bandstahls entsprach. Die Bruchdehnung betrug A = 60%. Aus mehreren Platinen 2 wur- den mittels eines Kaltumformwerkzeugs 3 mehrere identische
Näpfchen tiefgezogen, deren Durchmesser D = 50 mm betrug. Die Näpfchen wurden dann in einem Ofen 4 auf die unterschiedlichen Temperaturen T = 500°C, 600°C, 650°C und 700°C erwärmt. Die Verweildauer im Ofen 4 betrug jeweils 10 min, sodass eine vollständige und homogene Durchwärmung der Näpfchen gewährleistet war. Unmittelbar anschließend und mit im wesentlichen derselben Temperatur T wurden die heißen Näpfchen in einem Kalibrierwerkzeug 5 in der Endform fixiert und dort abge¬ kühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit betrug bei diesem Beispiel etwa 30°C/s.
Die Vickershärte Hv kann als Maß für die Zugfestigkeit Rm verwendet werden, wobei der Umrechnungsfaktor etwa 3,1 beträgt, d.h. eine Vickershärte Hv = 350 entspricht etwa einer Zugfestigkeit Rm ~ 1100 MPa des Ausgangsmaterials, siehe Be¬ zugszeichen 6. Fig. 2 zeigt für das kaltgezogene, nicht er¬ wärmte Näpfchen eine Kaltverfestigung im Bereich von
Rm = 1600 MPa (entspricht Hv = 520), siehe Bezugszeichen 7, die im Bauteil zu stark inhomogenen mechanischen Eigenschaf- ten führt. Außerdem wird das Risiko der verzögerten Rissbil¬ dung durch Wasserstoffversprödung erhöht, da dieses insbesondere dort auftritt, wo beim Kaltumformen ein hoher Kaltverfe¬ stigungsgradient beobachtet wird. Die erfindungsgemäße Warmkalibrierung führt zur Verringerung der Kaltverfestigung in den Näpfchen. Bei einer Temperatur T = 500°C beträgt die Zugfestigkeit in der Nähe des Umformor¬ tes noch Rm = 1490 MPa (Hv = 480), bei T = 600°C ist die ma¬ ximale Kaltverfestigung bereits auf Rm = 1330 MPa (Hv = 430) gesunken, T = 650°C führt nahezu zu einer Egalisierung der mechanischen Eigenschaften (Rm = 1120 MPa, entspricht Hv = 360) in umgeformten und nicht umgeformten Abschnitten des Bauteils, und bei T = 700°C ergibt sich eine Überkompensati- on, d.h. die Werkstückfestigkeit im umformungsnahen Abschnitt beträgt Rm ~ 870 MPa (Hv = 280) und liegt damit signifikant unter der Zugfestigkeit in Abschnitten des Werkstücks
(Näpfchen), die nicht oder nur geringfügig umgeformt wurden. Aus Fig. 2 ist erkennbar, dass durch die Wahl einer geeigneten Temperatur T für die Warmkalibrierung die Kaltverfestigung im umformungsnahen Bereich eines Bauteils gezielt beeinflussbar und nach Wunsch auf einen bestimmten Wert abbaubar ist. Beispielsweise können homogene mechanische Eigenschaften in Bezug auf die Zugfestigkeit mit einer Schwankungsbreite von weniger als 20% oder sogar 10% bezogen auf umgeformte und nicht umgeformte Abschnitte des Bauteils erreicht werden. Auch ist es möglich, die Kaltverfestigung z.B. um 70% oder 80% abzubauen. Fig. 2 verdeutlicht, dass durch die Wärmebe- handlung und die Warmkalibrierung nur die durch Kaltverfestigung bewirkten erhöhten Festigkeitswerte beeinflusst und ab¬ gebaut werden, während sich die mechanischen Eigenschaften in den übrigen Abschnitten des Werkstücks, die keiner Umformung unterzogen werden, kaum ändern. D.h. mit anderen Worten, es kann erreicht werden, dass ein Bauteil mit komplexer Bauteil¬ geometrie über seine gesamte Erstreckung homogene mechanische Eigenschaften aufweist oder dass es an Umformungsorten gezielt erhöhte oder erniedrigte Festigkeiten im Vergleich zu nicht umgeformten Abschnitten erlangt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Eisen- Mangan-Stahlblech, mit den Schritten:
Kaltumformen eines Blechwerkstückes (2) in einem Formwerkzeug (3) ;
Erwärmen des umgeformten Blechwerkstückes auf eine Tem¬ peratur zwischen 500°C und 700°C; und
Kalibrieren des erwärmten Blechwerkstückes in einem Ka- librierwerkzeug (5) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur zwischen 600°C und 680°C beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit dem Schritt:
Erwärmen des umgeformten Blechwerkstückes in einem Ofen ( 4 ) ; und
Einlegen des erwärmten Blechwerkstückes in das Kali¬ brierwerkzeug (5) .
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Verweildauer des Blechwerkstückes in dem Ofen (4) so gewählt wird, dass eine im wesentlichen homogene Durchwärmung des Blechwerkstückes gewährleistet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eisen-Mangan-Stahlblech ein TWIP-Stahl, TRIP/TWIP-Stahl oder TRIPLEX-Stahl ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mangan-Gehalt des Eisen-Mangan-Stahlblechs zwischen 12 und 35 Gew% beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur so eingestellt wird, dass eine Kaltverfesti- gung in umgeformten Abschnitten des umgeformten Blechwerkstückes durch die Kalibrierung um mindestens 70%, insbesonde re 80% abgebaut wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur so eingestellt wird, dass das kalibrierte Blechwerkstück über seine gesamte Geometrie eine maximale Schwankungsbreite der Zugfestigkeit von 20%, insbesondere 10 aufweist .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, mit dem Schritt:
Beschichten des Blechwerkstückes mit einer organischen und/oder anorganischen oder metallischen Beschichtung, insbe sondere einer Legierung auf Basis von Zink oder Aluminium, vor dem Kaltumformen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, mit dem Schritt:
Beschichten des Blechwerkstückes mit einer organischen und/oder anorganischen oder metallischen Beschichtung, insbe sondere einer Legierung auf Basis von Zink oder Aluminium, nach dem Kalibrieren.
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