EP2864506B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines pressgehärteten metallbauteils - Google Patents

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EP2864506B1
EP2864506B1 EP13735194.6A EP13735194A EP2864506B1 EP 2864506 B1 EP2864506 B1 EP 2864506B1 EP 13735194 A EP13735194 A EP 13735194A EP 2864506 B1 EP2864506 B1 EP 2864506B1
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shielding
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Automation Press and Tooling AP&T AB
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing a metal component, which is to obtain different strength properties within the same component, according to the preambles of claims 1 and 6, respectively.
  • a motor vehicle B-pillar have a hard central area to maintain high stability and on the other hand at the upper and lower attachment points to the body be ductile, so that in an impact introduced energy can be dissipated, if possible without causing tearing.
  • the different structure formation within a steel material is made use of when choosing different cooling rates.
  • a high cooling rate leads to the predominant formation of hard martensite, while lower cooling rates favor other structures such as bainite or the preferred because of their toughness Ferit and perlite.
  • a base body which is subsequently thermoformed in a preferably press-hardening process, can be pushed out of the oven, for example, after being heated to austenitizing temperature with one partial area, which then cools slowly in the air, while the other portion is kept in the oven at austenitizing temperature.
  • the subsequent forming leads at sufficient cooling rate to a hard area (which was left longer in the oven and therefore had Austenitmaschinestemperatur) and a softer area, which had already cooled somewhat further in the air and therefore passes into the microstructure of ferrit, perlite or bainite upon further cooling by transformation.
  • a corresponding method with the additional use of a buffer furnace as a buffer is, for example, in the EP 2 365 100 A2 described.
  • the base body is inserted into the forming tool at a uniform temperature, where it is shaped over differently cooled regions of the tool at different cooling rates.
  • this often leads to warping of the components and thus to high reject rates.
  • a furnace plant and a method for operating the furnace plant for setting two different temperature ranges in a thermally treated board is specified.
  • a first area of a board is tempered by a radiant heat source to at least Austenitmaschinestemperatur while a second region of the circuit board can be temperature-controlled to temperatures below the austenitizing temperature.
  • the WO 2010/109 012 A1 describes a method for the production of components whose strength within the component in different areas is different. During the heating of a circuit board, absorption masses are applied or spaced with a small gap at this later remaining ductile areas. In this case, no Austenitmaschinestemperatur is achieved in these areas during heating.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device which avoid the disadvantages of the previously known processes and in particular the production of components with complicated contours between the areas of different strength properties.
  • This object is achieved by a method having the features of claim 1 and a device having the features of claim 6.
  • Claim 15 relates to a shielding device as an inventively essential component of the device according to claims 6 to 14.
  • a metallic base body in particular a sheet steel plate, which may also be coated, is heated to at least austenitizing temperature or made available at this temperature.
  • a region of the base body which can also be composed of several subregions, is shielded against the action of heat by a shielding device accompanying the workpiece, while the base body continues to be subjected to heat.
  • the unshielded area of the body is kept at Austenitmaschinestemperatur while the shielded area controlled below the Austenitmaschinestemperatur but above martensite starting temperature drops, wherein in this component area an average cooling rate below the martensite critical cooling rate prevails, so that the structure of this area after the subsequent forming consists mainly of ferrite and perlite, regardless of the subsequent cooling rate during forming.
  • the cooling of the shielded areas should be done slower than a self-given cooling in air.
  • a cooling rate above the critical for martensite cooling rate is maintained, ie the cooling of the body is so fast that in the previously unshielded area a structure of predominantly martensite is formed.
  • both areas of the base body can be cooled at a cooling rate greater than the critical cooling rate for martensite formation, since a martensite transformation can only occur in the previously unshielded area because of the partial cooling of the shielded area or shielded areas.
  • both coated and uncoated materials can be used as the main body, since the starting temperature above Austenitmaschinestemperatur a previous fürleg für of the entire body, whereby the forming tools are protected.
  • components with complicated contours for the different strength properties can be created, as they can be imaged by the design of the shield.
  • complicated temperature control devices for the forming tool are unnecessary because the deformation can be done with a uniform cooling rate over the entire body, which also avoids the risk of warping of the components when removed from the mold.
  • the shielding takes place contactlessly, at least over the predominant area of the area to be shielded, ie the base body should touch the shielding at as few points as possible. It is particularly advantageous if the base body is mounted on supports, kiln furniture, furnace carriers or the like and the shield is completely contactless with respect to the base body, since then the Shielding is cheaper and almost wear-free.
  • the shielding device is workpiece accompanying and not furnace bonded.
  • the shielding takes place at least partially via radiation shielding, so that the heat radiation in the shielded areas can not penetrate to the base body. This is preferably even the predominant type of shielding.
  • the shield can be subject to an active temperature control, which is realized by a targeted temperature / cooling of the cover. This serves in particular to protect the shield itself, in order to avoid its excessive heating by the radiant heat of the body, the furnace and / or by the heat application of the rest of the body. Since the surface of the shield may preferably be made of aluminum, it is prevented that it melts. But the introduction of heat energy is possible if, for example, the shield for the desired temperature drop is too strong and even slower cooling is desired.
  • a device which has at least one heating unit, or a series main oven, for example a roller hearth furnace, a (multilayer) chamber furnace or a reciprocating furnace, and a forming tool, in particular a press-hardening tool or a forming press.
  • the heart of the device and therefore claimed separately in claim 15 is a shielding device which has one or more contoured cover elements for shielding the predetermined region of the base body and is designed both in terms of their material and in terms of their functional design so that they are inserted into the heating unit and can stay there with the body while the body is tempered before forming.
  • the cover (s) are preferably slidably or pivotably attached to the shielding means so as to be according to necessity and intended use can be moved over, under and / or around the area of the body to be shielded.
  • a shielding device does not have to allow different possibilities of movement of the cover elements, since a shielding device designed especially for its geometry is usually produced for each workpiece to be produced, as there is also a separate press hardening mold for each workpiece. Therefore, the furnace itself does not have to be adapted to the workpiece, but only the shielding device accompanying the workpiece.
  • the cover or the elements are preferably held pivotably or displaceably on a guide element of the shielding. In particular, they can be arranged to be closed and reopened in the manner of a mold. This can be done for example via a rotary knob and a toothed rail, which translates the operation of the rotary wheel in a lateral and opposite movement and extension of the cover.
  • the device according to the invention and the shielding device can also be used advantageously in processes if the main body has not yet reached complete austenitizing temperature before being taken into the shielding device, ie thorough heating of the main body has not yet been completed.
  • This can be, for example, at a temperature just below Austenitmaschinestemperatur, eg Austenitmaschinestemperatur minus 30 K.
  • the shielded areas of the body then reach despite austenitmaschine temperature despite ongoing heating, while adjusting itself in the unshielded areas.
  • reduced cycle times can be realized because the Temperianssphasen be shortened.
  • this can be used for uncoated base materials and also for coated base materials whose coating does not require alloy, eg zinc-based coating systems.
  • a self-sufficient heating unit can be provided in which the shielding device can be integrated.
  • the heating to austenitizing temperature and the maintenance of the temperature in the unshielded areas of the body, while the shielded areas are already undergoing deliberate cooling can be decoupled from the main heating unit, which makes sense even if the timing in the different areas takes different lengths.
  • a transition region in which the material properties pass from those of one area to that of the other area is formed on the separating contour of the cover element in the finished workpiece.
  • the methods of the prior art resulted in a mostly relatively large transition region.
  • a very small transitional area of, for example, only 15 to 25 mm can be achieved via the shielding device according to the invention with a sharp-edged contour of the cover elements.
  • this can also be adjusted with the device according to the invention by varying the thickness of the cover element - and thus the shielding effect - in the direction of the transition zones.
  • a thus targeted adjustment of temperature and strength gradients after final shaping and cooling in the forming tool can also be done by varying the distance of the cover to the main body in the shield.
  • the variation of the distance and the thickness of the cover can also be used together.
  • a targeted influencing of the component strength of the component to be produced can in particular also take place in that the cover element or the cover elements have an active temperature control, in particular an active cooling.
  • the extraction temperature can be adjusted specifically.
  • by such a controllable and controllable time-dependent temperature control in the shielding significantly higher insertion temperatures of the shielded and thus already partially cooled areas of the body when inserted into the forming tool can be selected, thereby reducing both an abrasive and an adhesive tool wear and significantly improves the formability becomes. Increased degrees of deformation are thus also possible in the areas which should have softened properties after the deformation.
  • the shielding device In order to control and, if appropriate, purposefully influence the cooling process during the residence of the base body in the shielding device, it is advantageous if it has an integrated temperature sensor which can be integrated in particular in the cover elements. In addition, the current temperature of the recorded body is to be determined in these areas. If a coupling of the temperature sensor with the active temperature control of the cover, a time-dependent temperature control can be automatically controlled and regulated.
  • Fig. 1 are the different processes of cooling and thus microstructure of the metal component over time, but offset from one another.
  • the unshielded region of the component undergoes a temperature profile along the curve A, in that it is kept above the austenitizing temperature after being heated to at least austenitizing temperature and during the further heat application.
  • the essential cooling of this area takes place only in the forming tool at a cooling rate above the critical for martensite cooling rate (27 to 30 K / s), whereby a targeted martensite takes place.
  • strength characteristics result in this range of about Rm 1300 MPa - 1650 MPa, Rp0.2 1000 MPa - 1250 MPa, hardness 400 - 520 HV and ⁇ > 15%.
  • Fig. 2 shows a base body 1 after removal from the shielding and in front of a further not further illustrated forming.
  • the main body 1 here has the form of a circuit board with locally graded temperature profiles, namely a temperature range T1 and a temperature range T2, wherein T1 is greater than T2, since the region T1 was not shielded. Based on this board 1, the method according to the invention or the device according to the invention is also illustrated in the following figures.
  • Fig. 3 shows in the first position, the homogeneous heating of the board 1 in a heating unit 2, here a series furnace of the production line, where appropriate, a permeation of a coating takes place when it was applied.
  • a shielding device 3 In front of the furnace 2 is a shielding device 3 in the open state, in this case with two cover elements 4.
  • Position 3 shows the removal of the shielding device 3 including the board 1 from the furnace 2.
  • Fig. 4 shows the process stage 3 from Fig. 3 in perspective view while in Fig. 5 to decouple the process for forming different temperature ranges in the board a self-sufficient heating unit 5 is provided separately from the furnace 2.
  • Schematically 5 heating elements 6 can be seen in the self-sufficient heating unit and the underlying arranged shielding 3. This is with the recorded therein board 1 in more detail in the different views Fig. 6 shown.
  • section BB shows that the cover elements 4 comprise the board 1 in the areas to be shielded above and below and thus reduce heat radiation from both sides.
  • the shielding device 3 can be integrated into existing furnace systems or coupled to them. If integration into the series main furnace 2 can not be achieved or if this is not desired, the method can nevertheless be carried out with a self-sufficient heating unit 5.
  • This can also be designed as a heating-cooling unit, in particular if the cover 4 of the shielding 3 should have an active temperature, preferably an active cooling in order to influence the temperature grading of the component 1 before forming and thus the strength properties of the finished metal component even more targeted ,

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metallbauteils, das unterschiedliche Festigkeitseigenschaften innerhalb desselben Bauteils erhalten soll, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 6.
  • Bei vielen Metallbauteilen, beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie, besteht die Anforderung, dass die Bauteile einerseits ein geringes Gewicht aufweisen, andererseits gezielt einstellbare Festigkeitsbereiche haben. So soll z.B. eine Kfz-B-Säule einen harten Mittelbereich zum Erhalt großer Stabilität aufweisen und andererseits an den oberen und unteren Anbindungspunkten an die Karosse eher duktil sein, damit bei einem Aufprall eingebrachte Energie abgeführt werden kann, möglichst ohne dass es zu Abrissen kommt. Zum Erhalt solcher Bauteile wird sich die unterschiedliche Gefügebildung innerhalb eines Stahlwerkstoffs bei Wahl unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten zunutze gemacht. So führt eine hohe Abkühlgeschwindigkeit zur überwiegenden Bildung von hartem Martensit, während geringere Abkühlgeschwindigkeiten andere Gefüge wie Bainit oder die wegen ihrer Zähigkeit bevorzugten Gefüge Ferit und Perlit begünstigen.
  • Ein Grundkörper, der anschließend in einem vorzugsweise Presshärtverfahren warm umgeformt wird, kann beispielsweise nach einer Durcherwärmung auf Austenitisierungstemperatur mit einem Teilbereich aus dem Ofen herausgeschoben werden, der dann langsam an der Luft abkühlt, während der andere Teilbereich weiter im Ofen auf Austenitisierungstemperatur gehalten wird. Die anschließende Umformung führt bei ausreichender Abkühlgeschwindigkeit zu einem harten Bereich, (der länger im Ofen verblieben war und daher noch Austenitisierungstemperatur hatte) und einem weicheren Bereich, der an der Luft bereits etwas weiter abgekühlt war und daher bei der weiteren Abkühlung durch Umformung in die Gefügestruktur von Ferit, Perlit oder Bainit übergeht. Ein entsprechendes Verfahren unter zusätzlicher Verwendung eines Pufferofens als Zwischenspeicher wird beispielsweise in der EP 2 365 100 A2 beschrieben. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass nur ein weicherer Bereich erzeugt werden kann, maximal zwei, wenn der Ofen sehr kurz bemessen ist, so dass das Bauteil an beiden Seiten hervorstehen kann. Außerdem ist die Übergangszone zwischen weichem und hartem Bereich im fertigen Bauteil oftmals unerwünscht groß. Ergänzend ist in der EP 2 365 100 A2 ein Pufferofen gezeigt, der gekühlte Kontaktflächen aufweist, auf die das Werkstück aufgelegt werden kann, um diesen in Teilbereichen Wärme zu entziehen. Hierbei muss allerdings der Pufferofen ganz speziell auf das Werkstück abgestimmt sein, was sehr aufwendig ist.
  • In einem weiteren Verfahren wird daher der Grundkörper mit einheitlicher Temperatur in das Umformwerkzeug eingelegt und dort über unterschiedlich gekühlte Bereiche des Werkzeugs mit unterschiedlichen Abkühlraten umgeformt. Hierbei kommt es jedoch häufig zu einem sich Verziehen der Bauteile und insoweit zu hohen Ausschussraten.
  • Eine weitere Alternative gemäß der EP 1 180 470 B1 ist daher, durch eine partielle Bedeckung des Grundkörpers mit einer auf diesen aufgelegten Abdeckung im Ofen während der ersten Erhitzung vor dem Umformprozess bestimmte Bereiche nicht bis in den Austenit zu erwärmen. Dies kann auch durch partielle Wärmeabfuhr während des Erwärmungsvorgangs gemäß der DE 10 2006 018 406 B4 erfolgen. Beide Verfahren haben jedoch Nachteile, wenn beispielsweise beschichtete Materialien verwendet werden. Z.B. bei einer AISi Beschichtung wird eine komplette Durcherwärmung benötigt, damit eine Durchlegierung und optimale Verbindung der Schichten erfolgt. Ist dies nicht der Fall, haftet die Aluminiumbeschichtung im nachfolgenden Umformprozess oftmals am Werkzeug an, was zu einem hohen Werkzeugverschleiß führt.
  • Aus der DE 102 08 216 C1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Bereiche eines Endbauteils, die später eine höhere Duktilität aufweisen sollen, abgeschreckt werden bis zu einer Abkühl-Stopptemperatur, die oberhalb der Martensit-Startemperatur liegt. Dann werden diese Bereiche isotherm gehalten und später zusammen mit dem Gesamtbauteil im Härteprozess abgekühlt. Zum Abschrecken der später duktileren Bereiche müssen diese mit einem Kühlmedium beaufschlagt und von den anderen Bereichen abgeschottet werden. Das Verfahren ist daher aufwendig. Außerdem ist das Ergebnis nicht gleichmäßig, da das Kühlmedium selbst einer Temperaturveränderung unterliegt. Homogenitätsprobleme können daher auftreten.
  • Schließlich beschreibt die DE 10 2010 048 209 B3 ein Verfahren, bei dem eine auf Austenitisierungstemperatur erwärmte Platine in einem Teilbereich zwischengekühlt wird, der im folgenden Umformprozess ein Mischgefügte aus Martensit und Bainit erhält. Die Zwischenkühlung, die dabei bevorzugt durch integrierte Kühlplatten im Umformwerkzeug selbst erfolgen soll, ist jedoch aufwendig. Außerdem ist das in dem Teilbereich erhaltene Mischgefüge aus Martensit und Bainit durch den hohen Bainitanteil für viele Anwendungsbereiche nicht optimal.
  • Aus der DE 10 2007 012 180 B3 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Halbzeugen aus Metall bekannt, wobei in einer ersten Ofenkammer eines Ofens das zu behandelnde Gut beispielsweise auf Austenitisierungstemperatur erwärmt werden kann, während in einem zweiten Teilbereich einer Erwärmung auf nur 700 °C erfolgt. Hierbei hat der Grundkörper zumindest in einem Teilbereich nicht die Austenitisierungstemperatur.
  • Aus der nachveröffentlichten EP 2 548 975 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gehärteten metallischen Bauteiles mit mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Duktilität bekannt, wobei hier ein Teil des Bauteils beziehungsweise einer Platine in dem entsprechenden Ofen verbleibt, während ein anderer Teil aus dem Ofen herausragt. Die Abkühlgeschwindigkeit des herausragenden Teils kann dabei durch dort vorgesehene Abschirmungselemente, die einen Isoliereffekt haben können, beeinflusst werden.
  • Aus der nachveröffentlichten EP 2 639 536 A2 ist eine Ofenanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben der Ofenanlage zur Einstellung von zwei verschiedenen Temperaturbereichen in einer thermisch zu behandelnden Platine angegeben. Hierbei wird ein erster Bereich einer Platine durch eine Strahlungswärmequelle auf mindestens Austenitisierungstemperatur temperiert, während ein zweiter Bereich der Platine konduktiv auf Temperaturen unterhalb der Austenitisierungstemperatur temperierbar ist.
  • Aus der EP 2 264 193 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines partiell pressgehärteten Blechbauteils bekannt, wobei das Blechformteil partiell in einem Ofen erwärmt wird, wobei das Blechformteil partiell in einem Ofen derart erwärmt wird, dass wenigstens ein nicht zu härtender oder minder zu härtender Bereich abgedeckt wird und hiernach die Presshärtung erfolgt. Der nicht abgedeckte Bereich des Blechformteils wird dabei auf Austenitisierungstemperatur erwärmt.
  • Die WO 2010/109 012 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, deren Festigkeit innerhalb des Bauteiles in verschiedenen Bereichen unterschiedlich ist. Dabei werden während des Erhitzens einer Platine an dieser in den später duktiler verbleibenden Bereichen Absorptionsmassen angelegt oder mit einem geringen Spalt beabstandet. Hierbei wird in diesen Bereichen während des Erhitzens keine Austenitisierungstemperatur erreicht.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die Nachteile der vorbekannten Prozesse vermeiden und insbesondere die Herstellung von Bauteilen mit komplizierten Konturen zwischen den Bereichen unterschiedlicher Festigkeitseigenschaften ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Anspruch 15 bezieht sich auf eine Abschirmeinrichtung als erfindungsgemäß wesentliches Bauteil der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 6 bis 14.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein metallischer Grundkörper, insbesondere eine Stahlblechplatine, die auch beschichtet sein kann, auf mindestens Austenitisierungstemperatur erwärmt bzw. in dieser Temperatur zur Verfügung gestellt. In einem sich nun anschließenden Verfahrensschritt wird ein Bereich des Grundkörpers, der sich auch aus mehreren Teilbereichen zusammensetzen kann gegen Wärmeeinwirkung durch eine Werkstück begleitende Abschirmeinrichtung abgeschirmt, während der Grundkörper weiterhin wärmebeaufschlagt wird. So wird der nicht abgeschirmte Bereich des Grundkörpers auf Austenitisierungstemperatur gehalten, während der abgeschirmte Bereich kontrolliert unter die Austenitisierungstemperatur aber oberhalb Martensitstarttemperatur abfällt, wobei in diesem Bauteilbereich eine mittlere Abkühlgeschwindigkeit unterhalb der für Martensitbildung kritischen Abkühlgeschwindigkeit vorherrscht, so dass das Gefüge dieses Bereichs nach der nachfolgenden Umformung überwiegend aus Ferrit und Perlit besteht und zwar unabhängig von der dann folgenden Abkühlgeschwindigkeit bei der Umformung. Die Abkühlung der abgeschirmten Bereiche sollte dabei langsamer als eine sich selbst überlassene Abkühlung an Luft erfolgen. Nach der Entfernung der Abschirmung, die aus mehreren Teilelementen bestehen kann, wird der Grundkörper, der dann ein durch die Abschirmung erhaltenes gradiertes Temperaturprofil aufweist, einem Umformprozess durch ein Werkzeug unterzogen, insbesondere einer Warmumformung mit dabei erfolgender Presshärtung. Dabei wird zumindest in dem zuvor nicht abgeschirmten Bereich des Grundkörpers eine Abkühlgeschwindigkeit oberhalb der für Martensitbildung kritischen Abkühlgeschwindigkeit eingehalten, d.h. die Abkühlung des Grundkörpers erfolgt so schnell, dass in dem vormals nicht abgeschirmten Bereich ein Gefüge aus überwiegend Martensit entsteht. Während der Umformung müssen dabei nicht unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten für die verschiedenen Bereiche eingestellt werden. Insbesondere können beide Bereiche des Grundkörpers mit einer Abkühlgeschwindigkeit größer der kritischen Abkühlgeschwindigkeit für die Martensitbildung abgekühlt werden, da es wegen der bereits erfolgten partiellen Abkühlung des abgeschirmten Bereichs bzw. der abgeschirmten Bereiche nur noch in dem zuvor nicht abgeschirmten Bereich zu einer Martensitumwandlung kommen kann.
  • Dieses Verfahren vermeidet sämtliche Nachteile der im Stand der Technik bekannten. So können sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Materialien als Grundkörper verwendet werden, da durch die Starttemperatur oberhalb Austenitisierungstemperatur eine vorherige Durchlegierung des gesamten Grundkörpers erfolgt, wodurch die Umformwerkzeuge geschont werden. Auch können Bauteile mit komplizierten Konturen für die unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften erstellt werden, da diese durch die Ausgestaltung der Abschirmung abgebildet werden können. So ist es beispielsweise möglich, ein Bauteil für eine B-Säule mit harter Mitte, einem weichen oberen und unteren Anbindungsbereich an die Karosserie und einem umlaufenden weichen Flansch zu erzeugen, was den anschließenden Formschnitt entlang des gesamten Bauteils im Flanschbereich erheblich erleichtert. Außerdem sind komplizierte Temperierungseinrichtungen für das Umformwerkzeug unnötig, da die Umformung mit einer einheitlichen Abkühlgeschwindigkeit über den gesamten Grundkörper erfolgen kann, wodurch außerdem die Gefahr eines Verziehens der Bauteile beim Herausnehmen aus der Form vermieden wird.
  • Bevorzugt erfolgt die Abschirmung zumindest über die überwiegende Fläche des abzuschirmenden Bereichs kontaktlos, d.h. der Grundkörper sollte die Abschirmung an möglichst wenigen Punkten berühren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Grundkörper auf Stützen, Brennhilfsmitteln, Ofenträgern oder dergleichen gelagert wird und die Abschirmung vollständig kontaktlos zum Grundkörper ist, da dann die Abschirmung kostengünstiger und nahezu verschleißlos ist. Allerdings ist die Abschirmeinrichtung Werkstück begleitend und nicht Ofen gebunden. Vorzugsweise erfolgt die Abschirmung zumindest teilweise über Strahlungsabschirmung, so dass die Wärmestrahlung in den abgeschirmten Bereichen nicht bis zum Grundkörper vordringen kann. Bevorzugt ist dies sogar die überwiegende Art der Abschirmung. Um den Temperaturverlauf in den abgeschirmten Bereichen des Grundkörpers nicht sich selbst zu überlassen, kann die Abschirmung einer aktiven Temperaturführung unterliegen, die durch eine gezielte Temperierung/Kühlung der Abdeckelemente realisiert wird. Diese dient insbesondere dem Schutz der Abschirmung selbst, um deren übermäßige Aufheizung durch die Strahlungswärme des Grundkörpers, des Ofens und/oder durch die Wärmebeaufschlagung des übrigen Grundkörpers zu vermeiden. Da die Oberfläche der Abschirmung vorzugsweise aus Aluminium bestehen kann, wird so verhindert, dass diese schmilzt. Aber auch die Einbringung von Wärmeenergie ist möglich, wenn beispielsweise die Abschirmung für den gewünschten Temperaturabfall zu stark ist und eine noch langsamere Abkühlung gewünscht wird.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist ebenfalls beansprucht, die zumindest eine Erwärmungseinheit, bzw. einen Serienhauptofen z.B. einen Rollenherdofen, einen (Mehrlagen)Kammerofen oder einen Hubkolbenofen, und ein Umformwerkzeug, insbesondere ein Presshärtwerkzeug bzw. eine Umformpresse aufweist. Herzstück der Vorrichtung und daher in Anspruch 15 separat beansprucht ist eine Abschirmeinrichtung, die eines oder mehrere konturierte Abdeckelemente zur Abschirmung des vorbestimmten Bereichs des Grundkörpers aufweist und sowohl hinsichtlich ihres Materiales als auch hinsichtlich ihrer funktionalen Ausgestaltung so ausgelegt ist, dass sie in die Erwärmungseinheit eingeschoben werden und dort mit dem Grundkörper verweilen kann, während der Grundkörper vor der Umformung temperiert wird. Das bzw. die Abdeckelemente sind bevorzugt an der Abschirmeinrichtung schiebe- oder schwenkbeweglich befestigt, so dass sie je nach Notwendigkeit und Einsatzzweck über, unter und/oder um den abzuschirmenden Bereich des Grundkörpers herum bewegt werden können. Dabei muss nicht eine Abschirmeinrichtung verschiedene Bewegungsmöglichkeiten der Abdeckelemente zulassen, da in der Regel für jedes zu fertigende Werkstück eine speziell auf dessen Geometrie ausgelegte Abschirmeinrichtung gefertigt wird, wie es auch für jedes Werkstück eine eigene Presshärtform gibt. Der Ofen selbst muss daher nicht an das Werkstück angepasst werden, sondern lediglich die Werkstück begleitend eingesetzte Abschirmeinrichtung. Das bzw. die Abdeckelemente sind vorzugsweise an einem Führungselement der Abschirmeinrichtung verschwenkbar oder verschiebbar gehalten. Insbesondere können sie nach Art einer Form schließbar und wieder zu öffnen anzuordnen sein. Das kann beispielsweise über eine Drehradbetätigung und eine Zahnschiene erfolgen, die die Betätigung des Drehrades in eine laterale und gegenläufige Auf- und Zubewegung der Abdeckelemente übersetzt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und die Abschirmeinrichtung lassen sich auch mit Vorteil in Verfahren einsetzen, wenn der Grundkörper vor Aufnahme in die Abschirmeinrichtung noch nicht vollständig Austenitisierungstemperatur erreicht hat, d.h. Eine Durcherwärmung des Grundkörpers noch nicht abgeschlossen ist. Das kann beispielsweise bei einer Temperatur kurz unter Austenitisierungstemperatur sein, z.B. Austenitisierungstemperatur minus 30 K. Die abgeschirmten Bereiche des Grundkörpers erreichen dann trotz fortlaufender Erwärmung keine Austenitisierungstemperatur, während sich diese in den nicht abgeschirmten Bereichen einstellt. Dadurch lassen sich verringerte Taktzeiten realisieren, da die Temperierungsphasen verkürzt werden. Ohne Nachteil ist dies bei unbeschichteten Grundmaterialien einsetzbar und auch bei beschichteten Grundmaterialien, deren Beschichtung keine Durchlegierung erfordert, z.B. Zink-basierte Beschichtungssysteme.
  • Wenn die Fertigung eine direkte Adaption der Abschirmeinrichtung in dem Serienhauptofen nicht zulässt, kann eine autarke Heizeinheit vorgesehen werden, in die die Abschirmeinrichtung integrierbar ist. Dadurch können die Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur und das Halten der Temperatur in den nicht abgeschirmten Bereichen des Grundkörpers, während die abgeschirmten Bereiche bereits eine gezielte Abkühlung erfahren, von der Haupt-Erwärmungseinheit entkoppelt werden, was auch dann Sinn macht, wenn die Taktung in den verschiedenen Bereichen unterschiedlich lange dauert.
  • Durch ein Abdeckelement bzw. Abdeckelemente konstanter Dicke und in einem konstanten Abstand zur Oberfläche des Grundkörpers angeordnet entsteht an der Trennkontur des Abdeckelementes im fertigen Werkstück ein Übergangsbereich, in dem die Werkstoffeigenschaften von denen des einen Bereichs in die des anderen Bereichs übergehen. Die Verfahren des Standes der Technik führten zu einem meist relativ großen Übergangsbereich. Dahingegen kann über die erfindungsgemäße Abschirmeinrichtung mit scharfkantiger Kontur der Abdeckelemente ein sehr kleiner Übergangsbereich von beispielsweise nur 15 bis 25 mm erreicht werden. Wenn jedoch ein breiterer Übergangsbereich erwünscht ist, lässt sich dies mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls einstellen, indem die Dicke des Abdeckelementes - und damit die Abschirmwirkung - in Richtung der Übergangszonen variiert wird. Eine somit gezielte Einstellung von Temperatur- und Festigkeitsgradienten nach abschließender Formgebung und Kühlung im Umformwerkzeug kann auch durch eine Variierung des Abstandes des Abdeckelementes zum Grundkörper in der Abschirmeinrichtung erfolgen. Die Variierung des Abstandes und der Dicke des Abdeckelementes können auch gemeinsam eingesetzt werden.
  • Eine gezielte Beeinflussung der Bauteilfestigkeit des zu erzeugenden Bauteils kann insbesondere auch dadurch erfolgen, dass das Abdeckelement bzw. die Abdeckelemente eine aktive Temperaturregelung aufweisen, insbesondere eine aktive Kühlung. Darüber kann die Entnahmetemperatur gezielt eingestellt werden. Insbesondere können durch eine solche regel- und steuerbare zeitabhängige Temperaturführung in der Abschirmeinrichtung deutlich höhere Einlegetemperaturen auch der abgeschirmten und damit schon teilabgekühlten Bereiche des Grundkörpers beim Einlegen in das Umformwerkzeug gewählt werden, wodurch sowohl ein abrasiver als auch ein adhäsiver Werkzeugverschleiß reduziert und die Umformbarkeit deutlich verbessert wird. Erhöhte Umformgrade sind somit auch in den Bereichen, die nach der Umformung entfestigte Eigenschaften aufweisen sollen, möglich.
  • Zur Kontrolle und ggf. gezielten Beeinflussung des Abkühlprozesses während des Verweilens des Grundkörpers in der Abschirmeinrichtung ist es vorteilhaft, wenn diese eine integrierte Temperatursensorik aufweist, die insbesondere in die Abdeckelemente integriert sein kann. Darüber ist die jeweils aktuelle Temperatur des aufgenommenen Grundkörpers in diesen Bereichen zu ermitteln. Erfolgt eine Koppelung der Temperatursensorik mit der aktiven Temperaturregelung der Abdeckelemente, kann eine zeitabhängige Temperaturführung automatisch steuer- und regelbar erfolgen.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen und den Figuren, die u.a. bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung enthalten und im Folgenden beschrieben werden; es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch ein ZTU-Schaubild der erfindungsgemäßen Abkühlprozesse,
    Fig. 2
    eine Beispielplatine vor dem Umformprozess,
    Fig. 3
    schematisch verschiedene Verfahrensstadien,
    Fig. 4
    eine perspektivische Ansicht einer Erwärmungseinheit mit davor dargestellter Abschirmeinrichtung,
    Fig. 5
    die Entkoppelung von Verfahrensschritten durch die Verwendung einer autarken Heizeinheit,
    Fig. 6
    die erfindungsgemäße Abschirmeinrichtung in verschiedenen Ansichten und teilweise verschiedenen Maßstäben.
  • In dem Diagramm aus Fig. 1 sind die verschiedenen Abläufe der Abkühlung und damit Gefügebildung des Metallbauteils über die Zeit, jedoch versetzt zueinander aufgetragen. Der nicht abgeschirmte Bereich des Bauteils erfährt einen Temperaturverlauf entlang der Kurve A, indem er nach der Erwärmung auf mindestens Austenitisierungstemperatur und während der weiteren Wärmebeaufschlagung weiterhin auf oberhalb Austenitisierungstemperatur gehalten wird. Die wesentliche Abkühlung dieses Bereichs erfolgt erst im Umformwerkzeug mit einer Abkühlgeschwindigkeit oberhalb der für Martensitbildung kritischen Abkühlgeschwindigkeit (27 bis 30 K/s), wodurch eine gezielte Martensitbildung stattfindet. So ergeben sich Festigkeitsmerkmale diesen Bereichs von etwa Rm 1300 MPa - 1650 MPa, Rp0,2 1000 MPa - 1250 MPa, Härte 400 - 520 HV und ε >15%. Der weitere Bereich des Grundkörpers bzw. die weiteren Bereiche, die während der Wärmebeaufschlagung abgeschirmt werden, erfahren einen Temperaturverlauf entlang der Kurve B und sind bei Entnahme aus der Abschirmeinrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur aber noch oberhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt und haben diese Abkühlung in einer Geschwindigkeit unterhalb der für Martensitbildung kritischen Abkühlgeschwindigkeit erfahren. Dadurch wird bei der anschließenden schnellen Abkühlung im Umformwerkzeug keine überwiegend martensitische Struktur mehr erreicht, sondern es wird ein Gefüge mit hohem Ferrit- und/oder Perlitanteil gebildet. Diese Bereiche haben nach der Umformung beispielsweise Festigkeitseigenschaften der Größenordnungen Rm Ausgangseigenschaften - 1300 MPa, Rp0,2 Ausgangseigenschaften - 1000 MPa, Härte 100 - 400 HV und ε >15%.
  • (Anmerkung zu Fig. 1: Um die Gefügebildung zu veranschaulichen sind die Kurven A und B im selben Diagramm eingezeichnet. Selbstverständlich verweilen jedoch beide Bereiche des Grundkörpers und späteren Metallbauteils für identisch lange Zeit in der Wärmebeaufschlagung, nur eben Bereich B abgeschirmt und Bereich A nicht abgeschirmt. Die Zeitschiene für die Kurve A beginnt daher praktisch weiter links im nicht mehr dargestellten Bereich des Schaubilds.)
  • Fig. 2 zeigt einen Grundkörper 1 nach der Entnahme aus der Abschirmeinrichtung und vor einer auch im weiteren nicht näher dargestellten Umformung. Der Grundkörper 1 hat hier die Form einer Platine mit lokal gradierten Temperaturprofilen, nämlich einem Temperaturbereich T1 und einem Temperaturbereich T2, wobei T1 größer als T2 ist, da der Bereich T1 nicht abgeschirmt war. Anhand dieser Platine 1 ist auch in den nachfolgenden Figuren das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung veranschaulicht.
  • Fig. 3 zeigt an erster Position die homogene Erwärmung der Platine 1 in einer Erwärmungseinheit 2, hier einem Serienofen der Fertigungslinie, wobei ggf. eine Durchlegierung einer Beschichtung erfolgt, wenn diese aufgebracht wurde. Vor dem Ofen 2 befindet sich eine Abschirmeinrichtung 3 in geöffnetem Zustand, in diesem Fall mit zwei Abdeckelementen 4. An zweiter Position ist die Abschirmeinrichtung 3 über die Platine 1 im Ofen 2 gefahren zur Einstellung der gewünschten Temperatur im abgedeckten Platinenbereich. Position 3 zeigt die Entnahme der Abschirmeinrichtung 3 inklusive der Platine 1 aus dem Ofen 2. An vierter Position ist die Abschirmeinrichtung wiederum geöffnet dargestellt und gibt die Platine 1 mit gradierten Temperaturbereichen, wie in Fig. 2 dargestellt, für den nachfolgenden Umformprozess frei.
  • Fig. 4 zeigt das Verfahrensstadium 3 aus Fig. 3 in perspektivischer Ansicht, während in Fig. 5 zur Entkoppelung des Vorgangs zur Bildung unterschiedlicher Temperaturbereiche in der Platine eine autarke Heizeinheit 5 separat vom Ofen 2 vorgesehen ist. Schematisch sind in der autarken Heizeinheit 5 Heizstäbe 6 erkennbar und die darunter angeordnete Abschirmeinrichtung 3. Diese ist mit der darin aufgenommenen Platine 1 detaillierter in den verschiedenen Ansichten aus Fig. 6 dargestellt. Insbesondere ist dort die konturierte Form der Abdeckelemente 4 zu sehen sowie deren schiebebewegliche Anordnung an einem Führungselement 7. Insbesondere Schnitt B-B zeigt, dass die Abdeckelemente 4 die Platine 1 in den abzuschirmenden Bereichen oberhalb und unterhalb umfassen und so eine Wärmeeinstrahlung von beiden Seiten vermindern.
  • Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Abschirmeinrichtung 3 in bestehende Ofensysteme integrierbar bzw. an diese ankoppelbar ist. Lässt sich eine Integration in den Serienhauptofen 2 nicht bewirken, oder ist diese nicht erwünscht, kann das Verfahren trotzdem mit einer autarken Heizeinheit 5 durchgeführt werden. Diese kann auch als Heiz-Kühleinheit ausgelegt sein, insbesondere wenn die Abdeckelemente 4 der Abschirmeinrichtung 3 eine aktive Temperierung, vorzugsweise eine aktive Kühlung aufweisen sollen, um die Temperaturgradierung des Bauteils 1 vor der Umformung und damit die Festigkeitseigenschaften des fertigen Metallbauteils noch gezielter beeinflussen zu können.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils mit mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Festigkeitseigenschaften innerhalb desselben Bauteils erhalten durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten der verschiedenen Bereiche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensmerkmale:
    - ein metallischer Grundkörper (1), der mindestens Austenitisierungstemperatur aufweist, wird in einer Erwärmungseinheit (2,5) zur Verfügung gestellt,
    - ein Bereich des Grundkörpers (1) wird während einer anschießenden Wärmebeaufschlagung des Grundkörpers (1) in der Erwärmungseinheit (2,5) so lange abgeschirmt, bis die Bauteiltemperatur dieses Bereichs auf eine vorbestimmte Temperatur (T2) unterhalb der Austenitisierungstemperatur aber noch oberhalb der Martensit-Starttemperatur abgefallen ist, wobei in diesem Bauteilbereich eine mittlere Abkühlgeschwindigkeit unterhalb der für Martensitbildung kritischen Abkühlgeschwindigkeit vorherrscht, während der nicht abgeschirmte Bereich weiterhin auf mindestens Austenitisierungstemperatur gehalten wird,
    - die Abschirmung (3) wird entfernt,
    - der Grundkörper (1) mit gradiertem Temperaturprofil wird aus der Erwärmungseinheit (2,5) entnommen und einem Umformprozess durch ein Werkzeug unterzogen, wobei zu mindestens in dem zuvor nicht abgeschirmten Bereich eine Abkühlgeschwindigkeit oberhalb der für Martensitbildung kritischen Abkühlgeschwindigkeit vorherrscht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfall der Temperatur des Grundkörpers (1) im abgeschirmten Bereich langsamer
    als die materialspezifische Abkühl-Charakteristik des Grundkörpers (1) in Umgebungstemperatur erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung zumindest über die überwiegende Fläche des abzuschirmenden Bereichs kontaktlos erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung zumindest teilweise, bevorzugt sogar überwiegend über Strahlungsabschirmung erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abschirmung in dem abgedeckten Bereich eine vorzugsweise geregelte aktive Temperierung, insbesondere Kühlung erfolgt.
  6. Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Erwärmungseinheit (2, 5) und einem Umformwerkzeug und mit einer
    Abschirmeinrichtung (3) mit einem oder mehreren Abdeckelementen (4) zur Abschirmung eines vorbestimmten Bereichs eines Grundkörpers (1), vorzugsweise einer Platine,
    wobei die Abschirmeinrichtung (3) zum Verweilen in der Erwärmungseinheit (2, 5) ausgelegt ist während einer Temperierung des Grundkörpers (1) vor dessen Umformung im Umformwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine autarke Heizeinheit (5), in die die Abschirmeinrichtung (3) integrierbar ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (4) an der Abschirmeinrichtung 83) verschiebbar und/oder
    verschwenkbar befestigt ist und unter, über und/oder um den abzuschirmenden Bereich des Grundkörpers (1) bewegbar angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmeinrichtung (3) zumindest zwei an wenigstens einem Führungselement (7) schiebe- und/oder schwenkbeweglich gehaltene Abdeckelemente (4) aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckelemente (4) über das Führungselement (7) nach Art einer Form schließbar und offenbar angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckelemente (4) konturiert sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Abdeckelements (4) zum Grundkörper (1) und/oder die Dicke des Abdeckelements (4) sich zur die Bereiche unterschiedlicher Temperierung des Grundkörpers (1) trennenden Kontur hin verändert, insbesondere die Dicke sich verringert.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (4) eine aktive Temperaturregelung aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmeinrichtung (3) eine insbesondere integrierte Temperatursensorik aufweist zur Bestimmung der aktuellen Temperatur des aufgenommenen Grundkörpers (1) in zumindest einem Bereich.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, gekennzeichnet durch eine Koppelung der Temperatursensorik mit der aktiven Temperaturregelung.
  15. Abschirmeinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 6 bis 14.
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