EP2864505A1 - Verfahren zum presshärten von stahl - Google Patents

Verfahren zum presshärten von stahl

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EP2864505A1
EP2864505A1 EP13732131.1A EP13732131A EP2864505A1 EP 2864505 A1 EP2864505 A1 EP 2864505A1 EP 13732131 A EP13732131 A EP 13732131A EP 2864505 A1 EP2864505 A1 EP 2864505A1
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EP
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press
hardening
steel
cooling rate
phk
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Andreas Pichler
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Voestalpine Stahl GmbH
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Voestalpine Stahl GmbH
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    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a method for press hardening steel according to the preamble of claim 1.
  • Press hardening of steel is a technique known since the 1970's.
  • Ver go ⁇ is increased on with a suitable press hardening alloy composition to a temperature a steel board that specifically preferably enables Austenitization a complete austenitization.
  • a full austenitization is usually carried out above the sogenann ⁇ th AC 3 point location which can be read to stand diagrams from corresponding Mehrstoffzu- and which in particular also depends on the composition.
  • Such a steel is cooled after heating and complete austenitizing at a speed which is above the so-called critical hardening speed. This results in a fully martensitic structure which the steel has a high hardness, in particular up to 1500 MPa and above ver lends ⁇ .
  • the strength of such a press-hardened steel is essentially determined by the carbon content, since this determines the martensite hardness.
  • alloying elements in the composition determine the curability substantially with the carbon to which GeWiS ⁇ se elements, including in particular boron affect the Umwandlungsverhal ⁇ th, and in particular as so-called conversion act retarders. These transient retarders reduce the temperature below which they also cool down above the critical temperature. see curing speed not fully martensitic microstructure more could be achieved, significantly and can therefore teilwei ⁇ se be used to influence certain process parameters favorable.
  • the usual procedure for press hardening is in this case to provide the entspre ⁇ sponding press hardening steel as a metal sheet, cut from this sheet, a board, and either deep-draw this board in a cold state and then heat to insert into a tool and correspondingly cool there by all sides concerns the cooling tool or the To heat board and ⁇ warm in a tool and simultaneously cool at the appropriate speed.
  • the cooling rates are determined by the tool or the contact of the press-hardening steel with the tool.
  • the object of the invention is to provide a method for press hardening of steels, which facilitates the process control during press hardening, improves and makes more comprehensible.
  • certain plant parameters can be predetermined for an existing desired steel and, in particular, the cooling rate in the tool.
  • system parameters can also be taken into account, depending on the degree of deformation, with the given parameters and their ranges. Basically, high degrees of deformation result in reduced martensite being formed. So in order to achieve a desired martensite content, it can be estimated whether the given hardness is reached at a given degree of deformation.
  • the Committee can be lowered.
  • a press hardness number is created for this purpose.
  • the compression hardness number (PHZ) is a tool which can be estimated from the chemical composition and the cooling rate in the tool simply whether the desired fully martensitic Ge ⁇ paste can be achieved.
  • Vollmartensiticians structure in the sense of this disclosure corresponds to a structural proportion of
  • the invention is exemplified with reference to a drawing erläu ⁇ tert. It shows:
  • Figure 1 a table with several steel compositions from which the respective Presshärteiere results;
  • P, S, N are just as usual unavoidable Verunreini ⁇ conditions contained .V and Ti are not explicitly listed in the table and are in the range of ⁇ 0.5%, especially alloyed to ⁇ 0.2%.
  • the theoretical press-hardening cooling rates may deviate from the measured press-hardening cooling rates, since certain safety factors, for example to compensate for the measurement uncertainties, have been incorporated and meaningful generalization has been undertaken .
  • PHZ press hardness number
  • PHZ> 1 a board can be deformed warm or rising
  • the number of press hardness values can be seen against the critical logarithmic degree of deformation.
  • the hatched area below the straight line from the press hardness number 1 indicates the area in which safe hot forming should be possible.
  • the dashed curves around the straight line indicate possible curves, since this increase does not necessarily have to be linear.
  • the theoretical press cooling rate (PHC) must be determined according to the formula and the cooling rate (PHW) achievable in continuous operation must be determined for the respective forming tool.
  • the Presshärteiere be set and then be determined in a ⁇ way by the conversion of the above formula, the effective cooling rate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Presshärten von Stahl, wobei ein Stahlblech aus einer härtbaren Stahllegierung auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wird und anschließend in einem Werkzeug umgeformt und dabei gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, so dass eine Härtung herbeigeführt wird, wobei die Härtung dadurch bewirkt wird, dass das austenitische Gefüge in einem im Wesentlichen martensitisches Gefüge die Presshärtezahl ermittelt wird, wobei die Presshärtezahl (PHZ) sich aus der Gleichung; PHZ (Presshärtezahl) = Kühlrate im Werkzeug (PHW)/theoretischer PH_Kühlrate (PHK) ergibt, wobei die Kühlrate im Werkzeug für eine gewünschte Blechdicke vorbestimmt ist bzw. gemessen wird und sich die theoretische PH_Kühlrate (PHK) für Stahlmaterial, dessen im Ausgangsmaterial gelöster Borgehalt › 5 ppm beträgt, wie folgt ermittelt wird: PHK [K/s] = 1750/(28,5*C% + 3,5*Si% + 2,3*Mn - 2*Al% + 4*Cr% + 3*Ni% + 25*Mo% -20*Nb - 6,3) ^ 2,7 und für im Ausgangsmaterial gelöste Borgehalte ‹ 5 ppm sich wie folgt ergibt: PHK [K/s] = 2750/(28,5*C% + 3,5*Si% + 2,3*Mn - 2*Al% + 4*Cr% + 3*Ni% + 25*Mo% - 20*Nb - 7,0) ^ 1,8, wobei gilt: PHZ < 1: keine vollständige Härtung durch Martensitbildung gewährleistet; PHZ = 1: eine unverformte oder vorgeformte Platine kann gehärtet werden = indirekter Prozess; PHZ > 1: zusätzlich zum indirekten Prozess kann eine Platine warm verformt werden bzw. steigende Sicherheit gegen plastische Umformung beim Härten (Warmumformeignung).

Description

Verfahren zum Presshärten von Stahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Presshärten von Stahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Presshärten von Stahl ist eine Technik, die seit den 70- iger Jahren des 20. Jahrhunderts bekannt ist. Bei diesem Ver¬ fahren wird eine Stahlplatine mit einer auf das Presshärten abgestimmten Legierungszusammensetzung auf eine Temperatur erhöht, die eine Austenitisierung und zwar vorzugsweise eine vollständige Austenitisierung ermöglicht. Eine vollständige Austenitisierung erfolgt üblicherweise oberhalb des sogenann¬ ten AC3-Punktes, welche sich aus entsprechenden Mehrstoffzu- standsdiagrammen ablesen lässt und welche insbesondere auch von der Zusammensetzung abhängt.
Ein solcher Stahl wird nach dem Aufheizen und vollständigem Austenitisieren mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die über der sogenannten kritischen Härtegeschwindigkeit liegt. Dabei ergibt sich ein vollmartensitisches Gefüge, welches dem Stahl eine hohe Härte, insbesondere bis 1500 MPa und darüber ver¬ leiht .
Die Festigkeit eines solchen pressgehärteten Stahls bestimmt sich im Wesentlichen durch den Kohlenstoffgehalt , da dieser die Martensithärte bestimmt.
Andere Legierungselemente in der Zusammensetzung bestimmen im Wesentlichen mit dem Kohlenstoff die Härtbarkeit, wobei gewis¬ se Elemente, darunter insbesondere Bor das Umwandlungsverhal¬ ten beeinflussen und insbesondere als sogenannte Umwandlungs- verzögerer wirken. Diese Umwandlungsverzögerer senken die Temperatur, unterhalb derer auch mit dem Abkühlen über der kriti- sehen Härtegeschwindigkeit kein vollmartensitisches Gefüge mehr erreichbar wäre, signifikant ab und können daher teilwei¬ se eingesetzt werden, um bestimmte Prozessparameter günstig zu beeinflussen .
Das übliche Vorgehen beim Presshärten ist hierbei den entspre¬ chenden presshärtenden Stahl als Blech vorzusehen, aus diesem Blech eine Platine auszuschneiden und entweder diese Platine in kaltem Zustand tiefzuziehen und dann aufzuheizen, in ein Werkzeug einzulegen und dort durch allseitiges Anliegen des Kühlwerkzeuges entsprechend abzukühlen oder die Platine aufzu¬ heizen und in einem Werkzeug warm umzuformen und gleichzeitig mit der entsprechenden Geschwindigkeit abzukühlen.
Bei diesem an sich bekannten Verfahren werden die Abkühlraten durch das Werkzeug bzw. den Kontakt des presshärtenden Stahls mit dem Werkzeug bestimmt. Hierbei können eine geringe Wärme¬ leitfähigkeit, eine geringe Wärmekapazität, der Wärmeübergang, der Anpressdruck und die prozentuale Anpressfläche aber auch die Vorlaufstemperatur eines Kühlmediums wie Wasser, die erreichbaren Abkühlraten beeinflussen und insbesondere reduzieren .
Zudem hat sich in der Praxis gezeigt, dass bei den Presshärte¬ verfahren durch den Transfer des heißen Blechs aus dem Ofen zur Presse und insbesondere auf hohe Emissivitäten (hohes Wär¬ meabstrahlverhalten) des Bleches bzw. der Blechplatine unerwünschte diffusionsgesteuerte Umwandlungen bei hohen Tempera¬ turen (Ferrit) stattfinden können.
Ferner konnte festgestellt werden, dass das Tiefziehen dieser Bleche im warmen Zustand die Umwandlung beschleunigt, so dass in diesem Fall vor der Martensitbildung eher Ferrit und Bainit gebildet werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Presshärten von Stählen zu schaffen, welches die Prozesssteuerung beim Presshärten erleichtert, verbessert und nachvollziehbarer macht .
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet .
Während insbesondere in der Anfangszeit des Presshärtens nur relativ wenig Stähle zur Verfügung standen und somit die Anlagengeometrie auf diese Stähle abgestimmt wurde, sind viele An¬ lagen zum Presshärten von Stahl mittlerweile im Einsatz. Derartige bestehende Anlagen haben Eigenschaften, die bestimmte Prozessparameter wie Temperatur, Handlingszeit, etc bestimmen. Erfindungsgemäß kann nun mittels Kennzahlen eine einfache Klassifizierung des presshärtenden Stahls vorgenommen werden, so dass mit Hilfe der Klassifizierung abgeschätzt werden kann, ob dieser Stahl in einer bestehenden Anlage oder bei bestehenden vorgegebenen Prozessparametern für das Presshärten geeignet ist oder nicht.
Umgekehrt können für einen bestehenden gewünschten Stahl bestimmte Anlagenparameter vorbestimmt werden und insbesondere die Kühlrate im Werkzeug.
Hierbei können mit den vorgegebenen Kennzahlen und deren reichen die Anlagenparameter auch abhängig vom Umformgrad rücksichtigt werden. Grundsätzlich führen hohe Umformgrade dazu, dass in verringertem Maße Martensit gebildet wird. Um also einen gewünschten Martensitgehalt zu erreichen, kann abgeschätzt werden, ob bei vorgegebenem Umformgrad noch die entsprechende Härte erreicht wird .
Insbesondere kann z.B. abgeschätzt werden, ob bei gegebenen Abkühlraten der verwendete Stahl für das indirekte Presshärte¬ verfahren oder auch für das direkte Presshärteverfahren geeignet ist. Beim indirekten Presshärteverfahren wird der Stahl vor dem Presshärten umgeformt, so dass beim Presshärten selbst im erhitzten Zustand keinerlei Umformung stattfindet. Ein sol¬ cher Prozess bedingt daher eine geringere Presshärtezahl als z.B. ein direkter Presshärteprozess , bei dem im heißen Zustand auch noch eine Umformung durchgeführt wird.
Hiermit kann die Anzahl der Versuche bis zur Lauffähigkeit der Anlage mit dem speziellen Stahl verringert und insbesondere auch der Ausschuss abgesenkt werden. Insbesondere kann man er¬ kennen, ob ein Stahl bei den gegebenen Prozessparametern in einem Grenzbereich pressgehärtet wird, bei dem nicht jedes Bauteil zuverlässig die geforderten Eigenschaften erzielt, so dass von vorne herein hierdurch in günstiger Weise eine Vielzahl von möglichen Fehlerquellen ausgeschlossen werden kann.
Erfindungsgemäß wird hierfür eine Presshärtezahl geschaffen. Die Presshärtezahl (PHZ) ist ein Werkzeug mit dem man einfach aus der chemischen Zusammensetzung und der Abkühlrate im Werkzeug abschätzen kann, ob das gewünschte vollmartensitische Ge¬ füge erreicht werden kann. Vollmartensitisches Gefüge im Sinne dieser Offenbarung entspricht einem Gefügeanteil von
> 90 Vol.- %, insbesondere > 95 Vol.-% Martensit und Restaus- tenit, Rest Ferrit und/oder Bainit . Durch die Presshärtezahl kann mit abgeschätzt werden, ob die vorhandene Werkzeugtechnologie im Zusammenhang mit der Blech¬ dicke (= Kühlrate) ausreicht, um ein vollständiges martensiti- sches Gefüge zu erhalten. So kann beispielsweise ermittelt werden, ob in einem Werkzeug eine Legierung A Martensit erzeugt, jedoch die Legierung B zu Ferrit und Martensit führt.
Zudem kann durch die Presshärtezahl abgeschätzt werden, welche Legierung notwendig ist, um bei einem gegebenen Umformgrad noch vollmartensitisch zu werden.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläu¬ tert. Es zeigen dabei:
Figur 1: eine Tabelle mit mehreren Stahlzusammensetzungen aus denen sich die jeweilige Presshärtezahl ergibt;
Figur 2: qualitativ die Abhängigkeit der Martensitbildung vom
Umformgrad;
Figur 3: der kritische Umformgrad in Abhängigkeit der Press¬ härtezahl .
Aus der Figur 1 ergeben sich für die unterschiedlichsten
Stahlsorten die zunächst gemessenen Presshärtekühlraten.
Hierbei sind P,S, N nur als übliche unvermeidbare Verunreini¬ gungen enthalten .V und Ti sind nicht extra in der Tabelle aufgeführt und sind im Bereich von < 0,5%, insbesondere < 0,2 % zulegiert .
Hierbei dient Ti nur zur Abbindung des N wobei Werte von Ti / N ( in at%) von ca. 3,4 ausreichend sein sollten. Alle weite¬ ren Angaben sind in Masse-%. Von den gemessenen Presshärtekühlraten (PHM) aus sind erfindungsgemäß zwei unterschiedlichen Formeln zur Ermittlung der theoretischen Presshärtekühlrate (PHK) notwendig. Hierbei muss unterschieden werden, für Stahlmaterialien, deren gelöster Borgehalt im Ausgangsmaterial ^ 5 ppm ist und der theoreti¬ schen Presshärtekühlrate (PHK) für Stahlmaterialien deren gelöster Borgehalt im Ausgangsmaterial < 5 ppm beträgt.
Die Formel für die theoretische Presshärtekühlraten für Mate¬ rial dessen Borgehalt gelöst im Ausgangsmaterial ^ 5 ppm be¬ trägt ist:
PHK [K/s]= 1750 / (28,5*C% + 3,5*Si% + 2 , 3 *Mn-2 *A1%+ 4*Cr% + 3*Ni% + 25*Mo% - 20*Nb - 6,3) Λ 2,7
Für Borgehalte, die im Ausgangsmaterial gelöst sind < 5 ppm ergibt sich die nachfolgende Formel für die theoretische
Presshärtekühlrate :
PHK [K/s]= 2750 / (28,5*C% + 3,5*Si% + 2,3*Mn - 2*A1% + 4*Cr% + 3*Ni% + 25*Mo% - 20*Nb - 7,0) Λ 1,8.
Alle Prozent zahlen sind generell Masseprozent.
Die theoretischen Presshärtekühlraten können von den gemessenen Presshärtekühlraten abweichen, da hier gewisse Sicherheitsfaktoren, beispielsweise zum Ausgleich der Messunsicherheiten eingebaut sind und eine sinnvolle Generalisierung vor¬ genommen wurde .
Die Presshärtezahl (PHZ) ergibt sich aus diesen ermittelten Formeln bzw. Formelwerte wie folgt: PHZ = Kühlrate im Werkzeug (PHW) / theoretische PH_Kühlrate
(PHK) .
Hierbei ergibt sich erfindungsgemäß die folgende Gesetzmäßig¬ keit :
PHZ < 1: keine vollständige Härtung durch Martensit gewähr¬ leistet
PHZ= 1: eine unverformte oder vorgeformte Platine kann gehär¬ tet werden = indirekter Prozess
PHZ > 1: eine Platine kann warm verformt werden bzw. steigende
Sicherheit gegen plastische Umformung beim Härten (Warmumformeignung)
Aus Figur 2 ergibt sich hierbei qualitativ der Zusammenhang zwischen dem kritischen logarithmischen Umformgrad und der Härte, unabhängig davon ob diese im % Martensit oder Härte HV gemessen wird.
Der kritische logarithmische Umformgrad für den eindimensiona¬ len Fall ergibt sich dabei wie folgt:
«) = Loa arithmi scher Umformqrad
Aus Figur 3 ersieht man hierbei die Presshärtezahl gegen den kritischen logarithmischen Umformgrad. Hierbei zeigt der schraffierte Bereich unter der Geraden ab der Presshärtezahl 1 den Bereich an, in dem eine sichere Warmumformung möglich sein sollte. Die gestrichelten Kurven um die Gerade herum geben mögliche Kurvenverläufe an, da diese Anstieg nicht zwingend linear erfolgen muss. Durch die Presshärtezahl bzw. die theoretische Presshärtekühlrate lässt sich somit für eine bestehende Anlage ein Stahlma¬ terial ermitteln, welches mit hinreichender Sicherheit entwe¬ der im indirekten Verfahren gehärtet wird oder sogar eine so hohe Presshärtezahl besitzt, dass eine effektive direkte
Presshärtung, d.h. Umformung im warmen Zustand möglich ist.
Hierzu muss die theoretische Presskühlrate (PHK) entsprechend der Formel ermittelt werden und für das jeweilige Umformwerk- zeug die im Dauerbetrieb erzielbare Abkühlrate (PHW) ermittelt werden .
Umgekehrt kann bei einem gegebenen gewünschten Stahlmaterial und dem gegebenen gewünschten Prozess, also im direkten oder indirekten Verfahren sowie einen gewünschten Sicherheitsfaktor die Presshärtezahl festgelegt werden und anschließend in ein¬ facher Weise durch die Umstellung der oben angegebenen Formel die effektive Kühlrate ermittelt werden.
Die formelmäßigen Zusammenhänge in der theoretischen Presshärtekühlrate sind dabei so gewählt, dass sie übliche kleinere Einflussfaktoren, wie z.B. unterschiedliche Vorlauftemperatur des Kühlwassers für das Werkzeug abhängig von der Jahreszeit noch mit umfasst sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Presshärten von Stahl, wobei ein Stahlblech aus einer härtbaren Stahllegierung entweder kalt vorgeformt, anschließend in ein Werkzeug überführt wird, wel¬ ches die Kontur des vorgeformten Bauteils im Wesentlichen besitzt und dort nach einem vorangegangenen Aufheizschritt, der eine vollständige Austenitisierung bewirkt, mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, so dass eine Ab¬ schreckhärtung des vorgeformten Bauteils erzielt wird oder eine Platine eines Stahls mit einer Zusammensetzung, die eine Presshärtung erlaubt, auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wird und anschließend in einem Werkzeug warm umgeformt und dabei gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, so dass eine Härtung herbeigeführt wird, wobei die Härtung dadurch bewirkt wird, dass das austenitische Gefüge in einem im Wesentlichen martensitisches Gefüge gegebenenfalls mit Restaustenit überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der geeigneten Stahllegierung auf eine vorhandene Anlagengeometrie und die im Betrieb erreichbare Abkühlrate im Werkzeug oder die Abstimmung eines gewünsch¬ ten Werkzeuges auf eine gegebene Stahlsorte die Presshär¬ tezahl ermittelt wird, wobei die Presshärtezahl (PHZ) sich aus der Gleichung
PHZ (Presshärtezahl) = Kühlrate im Werkzeug (PHW) / theoretischer PH_Kühlrate (PHK) ermittelt wird, wobei die Kühlrate im Werkzeug für eine ge¬ wünschte Blechdicke vorbestimmt ist bzw. gemessen wird und sich die theoretische PH_Kühlrate (PHK) für Stahlmaterial, dessen im Ausgangsmaterial gelöster Borgehalt > 5 ppm be¬ trägt, wie folgt ermittelt wird:
PHK [K/s]= 1750 / (28,5*C% + 3,5*Si% + 2 , 3 *Mn-2 *A1%+
+ 3*Ni% + 25*Mo% - 20*Nb - 6,3) Λ 2,7 und für im Ausgangsmaterial gelöste Borgehalte < 5 ppm sich wie folgt ergibt:
PHK [K/s]= 2750 / (28,5*C% + 3,5*Si% + 2,3*Mn - 2*A1% + 4*Cr% + 3*Ni% + 25*Mo% - 20*Nb - 7,0) Λ 1,8, wobei gilt: keine vollständige Härtung durch Martensitbil- dung gewährleistet eine unverformte oder vorgeformte Platine kann gehärtet werden = indirekter Prozess
PHZ > 1: zusätzlich zum indirekten Prozess kann eine
Platine warm verformt werden bzw. steigende Si¬ cherheit gegen plastische Umformung beim Härten (Warmumformeignung) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gewünschten Stahlzusammensetzung und einer gewünschten Blechdicke für diese Blechdicke die zuverlässig erreichbare Abkühlrate im Werkzeug (PHW) gemessen wird und hieraus aus der theoretischen Presshärtekühlrate (PHK) die Presshärtezahl (PHZ) ermittelt wird, wobei bei einer Presshärtezahl von 1 die gewünschte Stahlzusammensetzung und die gegebene Anlage für ein indirektes Press¬ härteverfahren geeignet ist und bei einer Presshärtezahl > 1 die Warmumformung bei steigender Presshärtezahl bei größerer Sicherheit durchgeführt werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer bekannten Abkühlrate im Werkzeug (PHW) eine ge¬ eignete Stahllegierung über die Presshärtezahl ausgesucht wird, wobei hierfür ein Stahl verwendet wird, dessen PH_Kühlrate (PHK) so bemessen ist, dass für ein indirektes Presshärteverfahren zumindest eine Presshärtezahl von 1 erreicht wird und für ein Warmumformverfahren eine Presshärtezahl von > 1, vorzugsweise > 2 erzielt wird.
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