EP3212348B1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils durch umformen einer platine aus stahl - Google Patents

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EP3212348B1
EP3212348B1 EP15786860.5A EP15786860A EP3212348B1 EP 3212348 B1 EP3212348 B1 EP 3212348B1 EP 15786860 A EP15786860 A EP 15786860A EP 3212348 B1 EP3212348 B1 EP 3212348B1
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EP
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blank
temperature
forming
component
heat treatment
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Stefan MÜTZE
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Salzgitter Flachstahl GmbH
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Salzgitter Flachstahl GmbH
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    • C21D2261/00—Machining or cutting being involved

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component by forming a blank made of steel, according to the preamble of claim 1, which allows a high formability work-hardened, mechanically separated sheet edges.
  • a component is understood to be a component produced from a sheet metal blank by forming by means of a forming tool at room temperature.
  • sheet materials are all deformable metal materials into consideration, but especially steel.
  • the sheet metal blanks may be uncoated or provided with a metallic and / or organic corrosion protection coating.
  • Such components are mainly used in body construction, but also in the home appliance industry, in mechanical engineering or construction offer opportunities.
  • the material suppliers are trying to meet the necessary material requirements by reducing the wall thicknesses by providing high-strength and ultra-high-strength steels, while at the same time improving component behavior during production and operation.
  • a sheet metal blank of hot or cold strip is first cut to size at room temperature.
  • the cutting process is usually mechanical separation processes, such. shearing or punching, but more rarely also thermal separation methods, such as e.g. laser cutting, for use.
  • Thermal separation processes are significantly more costly compared to mechanical separation processes, so that they are used only in exceptional cases.
  • the cut board After cutting the cut board is placed in a forming tool and in single or multi-stage forming steps the finished component, such as. a chassis carrier generated.
  • the cut edges especially when raised or raised, e.g. in collar operations in perforated boards, particularly stressed.
  • the aforementioned damage to the sheet edges can lead to premature failure in subsequent forming operations or during operation of the component.
  • the testing of the forming behavior of cut sheet edges with regard to their edge crack sensitivity is carried out with a hole expansion test according to ISO 16630.
  • Object of the present invention is to provide a method for producing a cold-formed component of a sheared at room temperature sheet metal plate with occasionally various other performed at room temperature manufacturing steps, such as punching or cutting operations, which reduces the previously described damage to the cutting areas in their effect or eliminates and thus the edge crack sensitivity in the subsequent cold forming of the sheet metal blank reduced or even eliminated.
  • the method should be simple and inexpensive to implement and achieve comparable and / or improved properties on the one hand in the production, in particular with respect to the formability of the cut edges and on the other hand in the component, in particular with respect to the static strength.
  • this object is achieved by a method for producing a component by forming a steel circuit board at room temperature, having a high formability and reduced crack sensitivity mechanically cut or punched edges on the board, in which the board previously from a tape or Sheet is cut at room temperature, where appropriate, further manufacturing steps, such as Punching or cutting operations, to achieve recesses or openings on the sheet or the board are carried out at room temperature and then the prepared board in one or more steps to a component at room temperature is formed, which is characterized in that regardless of the deformation to a component at any time after cutting the blank and any further punching or cutting operations which, by the cutting or punching operations cold-hardened sheet edge portions, which undergo a subsequent cold working in the manufacture of the component, to a temperature of at least 600 ° C. are heated and the time of the temperature application is less than 10 seconds.
  • further manufacturing steps such as Punching or cutting operations
  • the heat is applied over the entire sheet thickness and in the plane direction of the board in a range which corresponds at most to the sheet thickness.
  • the duration of the heat depends on the type of heat treatment process.
  • the heating itself can take place arbitrarily, for example, conductively, inductively via radiation heating or by means of laser processing.
  • Excellent for the Heat treatment is the conductive heating, as it is often used, for example in the automotive industry on the example of spot welds.
  • a spot welding machine with rather short exposure times for the treatment of punched holes in the board, whereas in indefinite to be treated edge portions, the inductive method, radiation heating or laser machining with longer exposure times in question.
  • an advantageous development of the invention provides for rinsing these areas with inert gases, for example argon.
  • the inert gas purging takes place during the duration of the heat treatment but can also, if necessary, be made shortly before the beginning and / or in a limited period of time after the heat treatment has been carried out.
  • the heat input is very concentrated in the shear-influenced cutting edge areas and is therefore associated with a relatively low energy consumption, in particular with regard to methods in which the entire board is supplied to a heating or by orders of magnitude temporally more expensive stress relief is applied.
  • the process window for the temperature to be reached in the cutting edge area is also very large and covers a temperature range from above 600 ° C up to the solidus temperature of approx. 1500 ° C.
  • the method according to the invention has the advantage that only microstructural changes are made by the heat treatment of the shard-influenced edge regions, and the strength is not generally reduced, but rather increased.
  • the insensitivity to edge cracks in the sense of a larger Lochaufweititess, can thus be improved by a factor of 2 or even more than 3.
  • the method according to the invention allows more complex component geometries and thus greater design freedom when using the same materials.
  • the fatigue strength of the cold-formed component is expected not to be reduced due to the self-adjusting, but possibly harder but homogeneous compared to the initial state but homogeneous structure, but with pronounced two-phase structures such. Dual phase structures increased.
  • the heat treatment of the cold-cut edge regions to be cold can be completed at any time after the cutting or punching processes and before forming the board or as an intermediate step in multi-stage forming operations of the board are carried out to form a component, so that the process steps cutting or punching the board, heat treatment of the cutting edges and forming the board are completely decoupled from one another.
  • the production is much more flexible than is possible in the prior art in integration of edge modification by heat treatment.
  • the method can be integrated as an intermediate production step in a series production which specifies a cycle in the range of 0.1 to 10 seconds.
  • the production of sheet metal components in the automotive sector in several successive steps thus represents a predestined scope.
  • the forming of the board prepared in this way can advantageously be carried out with the forming tools already in production, since no additional heating devices, such as e.g. Ovens, to heat the board itself are necessary. This allows a further cost-effective production and by the decoupling of the manufacturing steps a high flexibility in the production process.
  • the heating of the cut edges may be provided with a downstream heat treatment device or this may be directly upstream of the forming device for cold forming of the board.
  • the board itself may for example be rolled flexibly with different thicknesses or be joined from cold or hot strip of the same or different thickness and / or quality.
  • the invention is applicable to hot or cold rolled steel strip from soft to high strength steels, eg with yield strengths from 140 MPa to 1200 MPa, which may be provided with a corrosion inhibiting layer as a metallic and / or organic coating.
  • the metallic coating may for example consist of zinc or an alloy of zinc or of magnesium or of aluminum and / or silicon.
  • FIG. 1 the hole-widening test according to ISO 16630 is shown schematically on heat-treated cut edges according to the invention.
  • the heat treatment takes place only at the shard-influenced cut edges as an intermediate step after cutting the blank and before reshaping edge-near areas.
  • the experimental set - up for the conductive heat treatment of shard - influenced cut edges is in FIG. 2 shown.
  • step 1 a sheet with a hole punched out therein (step 1) in the area of the shard-influenced sheet edges heat-treated (step 2). Thereafter, in step 3, the actual hole widening takes place by means of a punch, which is subsequently determined on the tested sample.
  • the opposing spot welding electrodes have a diameter larger than the punched hole, so that the shard-influenced hole edges can be heat-treated.
  • the electrodes have a hemispherical shape on the ends contacting the hole edges, so that the sheet is simply centered on the one hand, and on the other hand, the heat can be concentrated only introduced into the sheer-influenced region.
  • the shape of the contacting electrode tip should be adapted to the respective geometric configuration of the edge areas.
  • a treatment duration ie the duration of the current flow in the case of inductive heating and the duration of the power reduction by the laser, or the duration of action of other heat sources in a range of 20 ms to at most 10 s, in but usually advantageous between 100 ms to apply to 2000 ms. It is essential in any case that a temperature of at least 600 ° C at the location of the heat treatment is achieved.
  • the main process parameters are, in addition to the duration of treatment, and in the case of inductive heating, the current, which was varied between 4 and 10 kA.
  • the laser heat treatment first, a laser power of 5 kW was set, which was spread on a circular area of about 12 mm, so that about a ring mold with 1 mm edge width of the cut circular hole of the sample with the diameter of 10 mm was heat-treated.
  • FIG. 3 The results of hole expansion tests according to ISO 16630 on uncoated samples HDT780C after conductive heat treatment of the shard affected cut edges are the FIG. 3 and corresponding results on hot - dip galvanized samples HCT780CD and uncoated samples HDT780C after heat treatment of the shard - influenced cut edges by means of laser are the FIG. 4 refer to.
  • FIG. 5 shows in the upper part of the picture on the left, in a schematic representation in a plan view of a hole punched in a sheet, which according to the invention was heat treated in the region of the hole edge.
  • the self-adjusting microstructures in the heat-affected area are shown schematically in the upper part of the picture on the right.
  • the structure In the near edge area of approx. 0.5 mm, the structure consists of 100% martensite. As a result, there was heating above Ac3, which was rapidly cooled. As the distance to the edge increases, the proportion of bainite increases up to a distance to the edge Edge of about 2.5 mm, from which 100% bainite is present. From an edge distance of 2.5 mm, the structure was no longer subject to conversion, so that here treatment temperatures were below Ac1 (about 700 ° C).
  • the hardness increase ( FIG. 5 , lower part of the image) in the vicinity of the hole edge is typical for microalloyed bainitic hot strip and results from the subsequent separation of nanoparticles in the temperature range of about 500 ° C - 700 ° C.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Umformen einer Platine aus Stahl, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, welches eine hohe Umformbarkeit kaltverfestigter, mechanisch getrennter Blechkanten ermöglicht.
  • Unter Bauteil wird im Folgenden ein aus einer Blechplatine durch Umformen mittels eines Umformwerkzeuges bei Raumtemperatur hergestelltes Bauteil verstanden. Als Blechwerkstoffe kommen alle umformbaren Metallwerkstoffe in Betracht, insbesondere jedoch Stahl. Die Blechplatinen können unbeschichtet oder mit einem metallischen und/oder organischen Korrosionsschutzüberzug versehen sein.
  • Derartige Bauteile werden hauptsächlich im Karosseriebau verwendet, aber auch in der Hausgeräteindustrie, im Maschinenbau oder Bauwesen bieten sich Einsatzmöglichkeiten.
  • Der intensiv umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller, ständig nach Lösungen zur Senkung ihres Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hoher statischer und dynamischer Beanspruchung im Betrieb wie auch im Crashfall.
  • Den notwendigen Werkstoffanforderungen versuchen die Vormateriallieferanten dadurch Rechnung zu tragen, dass durch die Bereitstellung hoch- und höchstfester Stähle die Wanddicken reduziert werden können bei gleichzeitig verbessertem Bauteilverhalten bei der Fertigung und im Betrieb.
  • Diese Stähle müssen daher vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer Verarbeitbarkeit, beispielsweise bei der Kaltumformung und beim Schweißen, genügen.
  • Unter den vorgenannten Aspekten gewinnt die Herstellung von Bauteilen aus höher- und hochfesten Stählen mit Streckgrenzen oberhalb 600 MPa zunehmend an Bedeutung.
  • Zur Herstellung eines Bauteils wird zunächst eine Blechplatine aus Warm- oder Kaltband bei Raumtemperatur auf Maß geschnitten. Als Schneidverfahren kommen zumeist mechanische Trennverfahren, wie z.B. das Abscheren oder Stanzen, seltener aber auch thermische Trennverfahren, wie z.B. das Laserschneiden, zur Anwendung. Thermische Trennverfahren sind deutlich kostenintensiver im Vergleich zu mechanischen Trennverfahren, so dass diese nur in Ausnahmefällen eingesetzt werden.
  • Nach dem Zuschneiden wird die zugeschnittene Platine in ein Umformwerkzeug gelegt und in ein- oder mehrstufigen Umformschritten das fertige Bauteil, wie z.B. ein Fahrwerksträger, erzeugt.
  • Vor der Umformung werden fallweise diverse weitere Fertigungsschritte, wie z.B. Stanz- und Schneidoperationen an der Platine und während der Umformung kombinierte Bördeloperationen an gelochten Abschnitten vorgenommen.
  • Bei der Umformung werden die Schnittkanten, insbesondere wenn sie auf- bzw. hochgestellt werden, z.B. bei Kragenoperationen in gelochten Platinen, besonders belastet.
  • An den Schnittkanten können diverse Vorschädigungen vorliegen. Zum einen bedingt durch eine Kaltverfestigung des Werkstoffs, hervorgerufen durch das mechanische Trennen, das eine totale Umformung bis zur Materialtrennung darstellt. Zum anderen kann eine Kerbwirkung auftreten, welche durch die Topographie der Schnittfläche entsteht.
  • Gerade bei hoch- und höchstfesten Blechwerkstoffen tritt daher bei der anschließenden Umformung eine erhöhte Risswahrscheinlichkeit in den Randbereichen dieser Schnittkanten auf.
  • Die genannten Vorschädigungen an den Blechkanten können zum vorzeitigen Versagen bei nachfolgenden Umformoperationen bzw. beim Betrieb der Komponente führen. Die Prüfung des Umformverhaltens geschnittener Blechkanten im Hinblick auf deren Kantenrissempfindlichkeit wird mit einem Lochaufweitversuch nach ISO 16630 durchgeführt.
  • Beim Lochaufweitversuch wird in das Blech durch Scherschneiden ein kreisrundes Loch eingebracht, das dann durch einen konischen Stempel aufgeweitet wird. Die Messgröße ist die auf den Ausgangsdurchmesser bezogene Änderung des Lochdurchmessers, bei der am Rand des Lochs der erste Riss durch das Blech auftritt.
  • Um die vorab beschriebene Kantenrissempfindlichkeit bei der Kaltumformung von schergeschnittenen oder gestanzten Blechkanten zu minimieren, sind z.B. Ansätze zur Veränderung der Legierungszusammensetzung und Werkstoffprozessierung (z.B. gezieltes Einstellen von bainitischen Gefügen) oder der Verfahrenstechnik beim Kaltbeschnitt der Platine (z.B. über Modifikationen von Schneidspalt, Geschwindigkeit, Mehrfachbeschnitt etc.) bekannt.
  • Diese Maßnahmen sind entweder teuer und aufwändig (z.B. mehrstufige Schneidoperationen. Instandhaltung von 3-D Schnitten etc.), oder sie liefern noch keine optimalen Ergebnisse.
  • Desweiteren ist es aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 049 155 A1 bekannt, zumindest den Bereich der Schnittkante auf eine definierte Temperatur zu erwärmen und das Schneiden bei dieser Temperatur durchzuführen, um die Umformbarkeit der geschnittenen Kanten zu verbessern und so die Kaltverfestigung im Bereich der Schnittkante zu reduzieren oder zu vermeiden. Nachteilig sind hierbei der zur Erwärmung des Bleches notwendige hohe technische und wirtschaftliche Aufwand einerseits und andererseits die für die Zwangskopplung von Erwärmung der Platine und unmittelbar nachfolgendem Schneiden, die die Produktion unflexibler machen.
  • Aus der DE 10 2011 121 904 A1 ist es zudem bekannt, ein schergeschnittenes Blech kalt umzuformen und vor weiteren Umformvorgängen die kaltverfestigten Bereiche lokal mittels eines Lasers zu erwärmen mit dem Ziel einer partiellen Entfestigung. Nachteilig ist hierbei insbesondere die lokale Entfestigung, die hinsichtlich des eingesetzten oft hoch- und höchstfesten Materials insbesondere bei Belastungssituationen und unter schwingender Beanspruchung eine Ungänze darstellt. Darüber hinaus ist unklar, wo genau die Erwärmung stattfinden und wie die lokale Erwärmung mit Temperatur und Zeitverlauf konkret erfolgen soll. Desweiteren ist unklar, wie und in welchem Maße durch die partielle Entfestigung das Umformvermögen des bereits kaltumgeformten Bleches verbessert werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines kaltumgeformten Bauteils aus einer bei Raumtemperatur schergeschnittenen Blechplatine mit fallweise diversen weiteren bei Raumtemperatur durchgeführten Fertigungsschritten, wie z.B. Lochstanz- oder Schneidoperationen anzugeben, welches die vorab beschriebenen Vorschädigungen der Schnittbereiche in ihrer Auswirkung vermindert bzw. eliminiert und somit die Kantenrissempfindlichkeit bei der nachfolgenden Kaltumformung der Blechplatine reduziert oder sogar eliminiert. Das Verfahren soll einfach und kostengünstig realisierbar sein und vergleichbare und/oder verbesserte Eigenschaften einerseits bei der Herstellung, insbesondere bezüglich der Umformbarkeit der Schnittkanten und andererseits im Bauteil insbesondere bezüglich der statischen Festigkeit erreichen.
  • Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Umformen einer Platine aus Stahl bei Raumtemperatur, aufweisend eine hohe Umformbarkeit und verminderte Rissempfindlichkeit mechanisch an der Platine geschnittener oder gestanzter Kanten, bei dem die Platine zuvor aus einem Band oder Blech bei Raumtemperatur zugeschnitten wird, wobei fallweise weitere Fertigungsschritte, wie z.B. Stanz- oder Schneidoperationen, zur Erzielung von Aussparungen oder Durchbrüchen am Blech bzw. der Platine bei Raumtemperatur durchgeführt werden und anschließend die so vorbereitete Platine in einem oder mehreren Schritten zu einem Bauteil bei Raumtemperatur umgeformt wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass unabhängig von der Umformung zu einem Bauteil zu einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Zuschneiden der Platine und etwaigen weiteren Stanz- oder Schneidoperationen, die durch die Schneid- oder Stanzoperationen kalt verfestigten Blechkantenbereiche, welche eine anschließende Kaltumformung bei der Herstellung des Bauteils erfahren, auf eine Temperatur von mindestens 600°C erwärmt werden und die Zeit der Temperaturbeaufschlagung weniger als 10 Sekunden beträgt.
  • Versuche haben gezeigt, dass es zur Verbesserung des Lochaufweitvermögens nicht notwendig ist, den Schneidprozess selbst bei erhöhter Temperatur der Schnittkantenbereiche durchzuführen, sondern es ausreichend ist, nur die kaltverfestigten, scherbeeinflussten Schnittkantenbereiche in einem unerwartet kurzen Zeitintervall im Bereich von weniger als 10 Sekunden, in der Regel aber zwischen 0,1 und 2,0 Sekunden auf eine Temperatur von mindestens 600°C aufzuheizen. Erfindungsgemäß kann dies losgelöst vom Schneid- oder Stanzprozess und den nachfolgenden Fertigungsschritten, zu einem beliebigen Zeitpunkt vor der Umformung zu einem Bauteil geschehen.
  • Die Wärmeeinwirkung erfolgt dabei über die gesamte Blechdicke und in Ebenenrichtung der Platine in einem Bereich der höchstens der Blechdicke entspricht. Die Dauer der Wärmeeinwirkung richtet sich dabei nach der Art des Wärmebehandlungsverfahrens.
  • Die Erwärmung selbst kann auf beliebige Weise zum Beispiel konduktiv, induktiv über Strahlungserwärmung oder mittels Laserbearbeitung erfolgen. Hervorragend geeignet für die Wärmebehandlung ist die konduktive Erwärmung, wie sie zum Beispiel in der Automobilfertigung vielfach am Beispiel von Punktschweißungen angewendet wird. Vorteilhaft eignet sich zum Beispiel eine Punktschweißmaschine mit eher kurzen Einwirkzeiten zur Behandlung von gestanzten Löchern in der Platine, wohingegen bei zu behandelnden längeren Kantenabschnitten das induktive Verfahren, Strahlungserwärmung oder Laserbearbeitung mit längeren Einwirkzeiten in Frage kommt.
  • Zum Schutz der erwärmten Schnittkantenbereiche vor Oxidation sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, diese Bereiche mit Inertgasen, zum Beispiel Argon, zu spülen. Die Inertgasspülung erfolgt dabei während der Dauer der Wärmebehandlung kann aber auch, falls es notwendig erscheint, zusätzlich schon kurz vor Beginn und/oder in einem begrenzten Zeitraum noch nach Durchführung der Wärmebehandlung erfolgen.
  • Somit erfolgt die Wärmeeinbringung nur sehr konzentriert in den scherbeeinflussten Schnittkantenbereichen und ist daher mit einem vergleichsweise geringem Energieaufwand verbunden, insbesondere hinsichtlich Verfahren, bei denen die gesamte Platine einer Erwärmung zugeführt wird oder eine um Größenordnungen zeitlich aufwendigere Spannungsarmglühung Anwendung findet.
  • Das Prozessfenster für die zu erreichende Temperatur im Schnittkantenbereich ist zudem sehr groß und umfasst einen Temperaturbereich von oberhalb 600°C bis hin zur Solidustemperatur von ca. 1500°C.
  • Die Versuche haben außerdem gezeigt, dass allein die Eliminierung der Kaltverfestigung entscheidend für eine deutliche Verbesserung des Lochaufweitvermögens ist und die nicht ausheilbaren Ungänzen wie z.B. Poren einer untergeordneten Bedeutung zukommen.
  • Dies ist unabhängig davon, ob die Wärmebehandlung unterhalb oder oberhalb der Umwandlungstemperatur Ac1 stattfindet.
  • Wird die Wärmebehandlung oberhalb von Ac1 durchgeführt, kommt es nach Behandlung im Zuge einer raschen Abkühlung aufgrund des umgebenden kalten Materials bei umwandlungsfähigen Stählen zu einer Umwandlung in sogenannte metastabile Phasen. Das daraufhin einstellende Gefüge wird sich vom Ausgangszustand hinsichtlich einer erhöhten Festigkeit unterscheiden.
  • Eine Gefügeumwandlung mit einer damit in aller Regel einhergehenden Härte- und Festigkeitssteigerung hat überraschenderweise keinen negativen Einfluss auf das Lochaufweitvermögen, unabhängig davon, ob ein im Vergleich zum Ausgangsgefüge härteres und weniger zähes Gefüge eingestellt wird, so dass auch Behandlungstemperaturen der Schnittkanten bis hin zur Solidusgrenze möglich sind. Entscheidend bleibt in jedem Falle, dass die durch das Schneiden eingebrachte Kaltverfestigung weitestgehend eliminiert wird.
  • Um die erfindungsgemäßen Ziele zu erreichen, reicht es nach den vorliegenden Untersuchungen nicht aus, eine Erwärmung unterhalb 600°C für die Dauer einiger Sekunden durchzuführen, da eine deutliche Reduzierung der durch den mechanischen Trennvorgang eingebrachten Versetzungen erfolgen muss.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bekannten Maßnahmen zur Verminderung der Kantenrissempfindlichkeit den Vorteil, dass durch die Wärmebehandlung nur der scherbeeinflussten Kantenbereiche mikrostrukturell verändert und die Festigkeit dabei in der Regel nicht verringert, sondern erhöht wird. Die Unempfindlichkeit gegenüber Kantenrissen im Sinne eines größeren Lochaufweitvermögens, kann damit um den Faktor 2 oder sogar mehr als 3 verbessert werden.
  • Bei der industriellen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aufgrund der deutlich erhöhten Umformbarkeit der kritischen scherbeeinflussten Blechkantenbereiche einerseits der Ausschuss an umgeformten Bauteilen gesenkt werden und andererseits können bislang notwendige Fügeoperationen zum Beispiel durch jetzt durchführbare Kragenoperationen bei der Ausbildung z.B. von Lagerstellen eingespart werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch das verbesserte Umformvermögen der Schnittkantenbereiche komplexere Bauteilgeometrien und somit eine größere konstruktive Freiheit bei Verwendung derselben Werkstoffe. Zudem wird die Dauerfestigkeit des kalt umgeformten Bauteils erwartungsgemäß aufgrund des sich einstellenden, zwar möglicherweise im Vergleich zum Ausgangszustand härteren aber homogenen Gefüges nicht verringert, sondern bei ausgeprägt zweiphasigen Gefügen wie z.B. Dualphasengefügen erhöht.
  • Die Wärmebehandlung der kalt umzuformenden Schnittkantenbereiche kann vollständig zu einem beliebigen Zeitpunkt nach den Schneid- oder Stanzprozessen und vor der Umformung der Platine oder als Zwischenschritt bei mehrstufigen Umformoperationen der Platine zu einem Bauteil durchgeführt werden, so dass die Prozessschritte Schneiden bzw. Stanzen der Platine, Wärmebehandlung der Schnittkanten und Umformung der Platine zu einem Bauteil voneinander vollständig entkoppelt sind. Somit wird die Fertigung deutlich flexibler, als es nach dem Stand der Technik bei Integration einer Kantenmodifikation durch Wärmebehandlung möglich ist.
  • Aufgrund der im Vergleich zu bekannten Maßnahmen kurzen Behandlungsdauer, kann das Verfahren in einer Serienfertigung, die eine Taktung im Bereich von 0,1 bis 10 Sekunden vorgibt, als Zwischenfertigungsschritt integriert werden. Insbesondere die Fertigung von Blechkomponenten im Automobilbereich in mehreren aufeinander folgenden Schritten stellt somit einen prädestinierten Anwendungsbereich dar.
  • Die Umformung der so vorbereiteten Platine kann zudem vorteilhaft mit den bereits in der Produktion vorhandenen Umformwerkzeugen durchgeführt werden, da keine zusätzlichen Erwärmungseinrichtungen, wie z.B. Öfen, zum Aufheizen der Platine selbst notwendig sind. Dies ermöglicht eine weiterhin kostengünstige Fertigung und durch die Entkopplung der Fertigungsschritte eine hohe Flexibilität im Produktionsablauf.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Erwärmung der Schnittkanten jedoch abhängig vom vorgesehenen Produktionsablauf, wenn dies vorteilhaft erscheint, auch unmittelbar nach den mechanischen Schneid- oder Stanzprozessen oder unmittelbar vor der Umformung zu einem Bauteil, in einem mit dem jeweiligen Fertigungsprozess kombinierten Arbeitsschritt erfolgen. Zum Beispiel können die Schneid- und Stanzeinrichtungen mit einer nachgeschalteten Wärmebehandlungsvorrichtung versehen sein oder diese kann der Umformeinrichtung zum Kaltumformen der Platine direkt vorgeschaltet sein.
  • Die Platine selbst kann z.B. flexibel mit unterschiedlichen Dicken gewalzt sein oder aus Kalt- oder Warmband gleicher oder unterschiedlicher Dicke und/oder Güte gefügt sein. Die Erfindung ist anwendbar für warm- oder kaltgewalzte Stahlbänder aus weichen bis hochfesten Stählen, z.B. mit Streckgrenzen von 140 MPa bis 1200 MPa, die mit einer korrosionshemmenden Schicht als metallischem und/oder organischem Überzug versehen sein können. Der metallische Überzug kann zum Beispiel aus Zink oder einer Legierung aus Zink oder aus Magnesium oder aus Aluminium und/oder Silizium bestehen.
  • Die Eignung von beschichteten Stahlbändern erklärt sich aus der Möglichkeit, die Behandlung des Kantenbereichs auf einen Abstand zur Kante zu beschränken der einem Bruchteil der Blechdicke entspricht, da in diesem Bereich der überwiegende Anteil der schädlichen Kaltverfestigung beim Scherschneiden vorliegt. So kann bei Blechdicken von einigen Millimetern Dicke der Bereich bis zu einem Abstand zur Kante von einigen zehn Mikrometern bereits ausreichend sein, so dass beispielsweise der wirksame Korrosionsschutz einer metallischen korrosionshemmenden Schicht nicht oder nur unerheblich beeinflusst wird.
    Als höherfeste Stähle kommen alle einphasigen aber auch mehrphasige Stahlsorten zur Anwendung. Dazu gehören mikrolegierte, höherfeste Stahlsorten genauso wie bainitische oder martensitische Sorten sowie Dualphasen, Komplexphasen und TRIP Stähle. Anspruch 15 betrifft die Verwendung einer Platine aus Stahl zur Umformung bei Raumtemperatur, bei welcher vor der Umformung die in Anspruch 1 definierte Lehre angewendet wird. Weitere bevorzugte Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten Figuren. Es zeigen:
    • Figur 1
    schematische Darstellung des Lochaufweiteversuchs nach ISO 16630 an erfindungsgemäß wärmebehandelten Schnittkanten
    Figur 2
    Versuchsaufbau zur konduktiven Wärmebehandlung scherbeeinflusster Schnittkanten
    Figur 3
    Ergebnisse von Lochaufweitversuchen nach ISO 16630 an unbeschichteten Proben HDT780C nach konduktiver Wärmebehandlung der scherbeeinflussten Schnittkanten
    Figur 4
    Ergebnisse von Lochaufweitversuchen nach ISO 16630 an schmelztauchverzinkten Proben HCT780CD und unbeschichteten Proben HDT780C nach Wärmebehandlung der scherbeeinflussten Schnittkanten mittels Laser
    Figur 5
    Gefüge und Härteverlauf an erfindungsgemäß wärmebehandelten Schnittkanten
  • In Figur 1 ist der Lochaufweitversuch nach ISO 16630 schematisch an erfindungsgemäß wärmebehandelten Schnittkanten dargestellt.
  • Erfindungsgemäß findet die Wärmebehandlung nur an den scherbeeinflussten Schnittkanten als Zwischenschritt nach Zuschneiden der Platine und vor der Umformung kantennaher Bereiche statt.
  • Der Versuchsaufbau zur konduktiven Wärmebehandlung scherbeeinflusster Schnittkanten ist in Figur 2 dargestellt.
  • Als Erwärmungseinrichtung wurde bei Untersuchungen neben einem leistungsstarken Laser eine handelsübliche Punktschweißmaschine zum Verbindungsschweißen von Stahlblechen genutzt, wie sie auch bei der Herstellung von Fahrzeugteilen in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Im vorliegenden Fall werden jedoch keine aufeinanderliegenden Bleche miteinander verschweißt, sondern es wird gemäß Figur 1 ein Blech mit einem darin ausgestanzten Loch (Schritt 1) im Bereich der scherbeeinflussten Blechkanten wärmebehandelt (Schritt 2). Danach erfolgt im Schritt 3 die eigentliche Lochaufweitung mittels eines Stempels, die anschließend an der prüften Probe ermittelt wird.
  • Wie in der Figur 2 dargestellt, weisen die sich gegenüberliegenden Punktschweißelektroden einen Durchmesser auf, der größer ist als das gestanzte Loch, damit die scherbeeinflussten Lochkanten wärmebehandelt werden können. Zudem weisen die Elektroden an den die Lochränder kontaktierenden Enden eine halbkugelige Form auf, damit das Blech einerseits einfach zentriert werden, andererseits die Wärme konzentriert nur in den schierbeeinflussten Bereich eingebracht werden kann.
  • Um im Wesentlichen nur die scherbeeinflussten Bereiche mit Strom zu beaufschlagen, sollte die Form der kontaktierenden Elektrodenspitze der jeweiligen geometrischen Ausbildung der Kantenbereiche angepasst werden.
  • Für die Versuche wurde ein unbeschichteter, höherfester, warmgewalzter bainitischer Stahl der Güte HDT780C mit einer Mindeststreckgrenze von 680 MPa und einer Mindestzugfestigkeit von 800 MPa verwendet. Desweiteren wurde ein schmelztauchverzinkter, kaltgewalzter Komplexphasenstahl mit einer Mindeststreckgrenze von 500 MPa und einer Mindestzugfestigkeit von 780MPa der Güte HCT780CD eingesetzt.
  • Je nach Verfahren ist eine Behandlungsdauer, d.h. die Dauer des Stromflusses im Falle der induktiven Erwärmung und die Dauer der Leistungsabnahme durch den Laser, oder die Einwirkungsdauer anderer Wärmequellen in einem Bereich von 20 ms bis höchstens 10 s, in der Regel aber vorteilhaft zwischen 100 ms bis hin zu 2000 ms anzuwenden. Wesentlich ist auf jeden Fall, dass eine Temperatur von mindestens 600°C an der Stelle der Wärmebehandlung erreicht wird.
  • Die wesentlichen Verfahrensparameter sind neben der Behandlungsdauer, sowie im Falle der induktiven Erwärmung der Strom, der zwischen 4 und 10 kA variiert wurde. Bei der Wärmebehandlung mittels Laser, wurde zunächst eine Laserleistung von 5 kW eingestellt, die auf eine Kreisfläche von etwa 12 mm verteilt wurde, so dass etwa eine Ringform mit 1 mm Randbreite des geschnittenen Kreislochs der Probe mit dem Durchmesser von 10 mm wärmebehandelt wurde.
  • Die Ergebnisse von Lochaufweitversuchen nach ISO 16630 an unbeschichteten Proben HDT780C nach konduktiver Wärmebehandlung der scherbeeinflussten Schnittkanten sind der Figur 3 und entsprechende Ergebnisse an schmelztauchverzinkten Proben HCT780CD und unbeschichteten Proben HDT780C nach Wärmebehandlung der scherbeeinflussten Schnittkanten mittels Laser sind der Figur 4 zu entnehmen.
  • Nach der Wärmebehandlung konnte gemäß der Figuren 3 und 4 eine Erhöhung der Lochaufweitung gegenüber der unbehandelten Referenzprobe von überwiegend Faktor 2 bis zu Faktor 3 und darüber erreicht werden. Streuungen in den Ergebnissen sind insbesondere auf nicht optimierte geometrische Verhältnisse und folglich eine ungleichmäßige Wärmebehandlung durch den Laser zurückzuführen,
  • Figur 5 zeigt im oberen Teilbild links, in einer schematischen Darstellung in einer Aufsicht auf ein in ein Blech gestanztes Loch, welches erfindungsgemäß im Bereich der Lochkante wärmebehandelt wurde. Die sich einstellenden Gefüge in dem wärmebeeinflussten Bereich sind schematisch im oberen Teilbild rechts dargestellt.
  • Hieraus lässt sich die Wirkung der Wärmebehandlung beispielhaft darstellen und Rückschlüsse auf die vorgelegenen Temperaturen ableiten. Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf eine induktive Behandlung mit 500 ms Behandlungsdauer und einem Strom von 8 kA von einem Stahl HDT780C mit bainitischem Gefüge.
  • Im nahen Randbereich von ca. 0,5 mm besteht das Gefüge aus 100% Martensit. Folglich lag eine Erwärmung oberhalb von Ac3 vor, auf die eine rasche Abkühlung erfolgte. Mit zunehmendem Abstand zur Kante erhöht sich der Anteil an Bainit bis zu einem Abstand zur Kante von etwa 2,5 mm, ab dem 100% Bainit vorliegt. Ab einem Kantenabstand von 2,5 mm unterlag das Gefüge keiner Umwandlung mehr, so dass hier Behandlungstemperaturen unterhalb Ac1 (ca. 700°C) vorlagen.
  • Der Härteanstieg (Figur 5, unteres Teilbild) im Nahbereich der Lochkante ist für mikrolegiertes bainitisches Warmband typisch und resultiert aus dem nachträglichen Ausscheiden von Nanopartikeln im Temperaturbereich von ca. 500°C - 700°C.
  • Insgesamt lassen sich die Vorteile der Erfindung wie folgt zusammenfassen:
    • Erzeugung einer sehr gut umformbaren Schnittkante mit reduzierter Kantenrissempfindlichkeit und hohem Lochaufweitvermögen, was die Herstellung komplexerer Bauteilgeomtrien ermöglicht und das Risiko von Ausschüssen aufgrund von Kantenrissen bei der Umformung reduziert.
    • Erzeugung eines optimierten Produktes unter Leichtbau- und Kostengesichtspunkten durch Herstellung komplexer Bauteilgeometrien
    • Möglichkeit der Integration des Verfahrens in die mehrstufige Fertigung von Pressbauteilen aufgrund der sehr geringen Dauer der Wärmebehandlung und des sehr weiten Temperaturintervalls
    • Anwendbarkeit des Verfahrens auf korrosionsscnutzbeschichtet Bleche wegen der örtlich und zeitlich sehr begrenzten Erwärmung
    • In der Regel keine Erweichung sondern bei umwandlungsfähigen Werkstoffen Verfestigung der wärmebehandelten Bereiche im Vergleich zum Grundwerkstoff

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch Umformen einer Platine aus Stahl bei Raumtemperatur, aufweisend eine hohe Umformbarkeit und verminderte Rissempfindlichkeit mechanisch an der Platine geschnittener oder gestanzter Kanten, bei dem die Platine zuvor aus einem Band oder Blech bei Raumtemperatur zugeschnitten wird, wobei fallweise weitere Fertigungsschritte, wie z.B. Stanz- oder Schneidoperationen zur Erzielung von Aussparungen oder Durchbrüchen am Blech bzw. der Platine bei Raumtemperatur durchgeführt werden und anschließend die so vorbereitete Platine in einem oder mehreren Schritten zu einem Bauteil bei Raumtemperatur umgeformt wird.
    dadurch gekennzeichnet,
    dass unabhängig von der Umformung zu einem Bauteil zu einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Zuschneiden der Platine und etwaigen weiteren Stanz- oder Schneidoperationen, die durch die Schneid- oder Stanzoperationen kaltverfestigten Blechkantenbereiche, welche eine anschließende Kaltumformung bei der Herstellung des Bauteils erfahren, auf eine Temperatur von mindestens 600°C erwärmt werden und die Zeit der Temperaturbeaufschlagung höchstens 10 Sekunden beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Zeit der Temperaturbeaufschlagung 0,02 bis 10 Sekunden beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Zeit der Temperaturbeaufschlagung 0,1 bis 2 Sekunden beträgt
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung der kaltverfestigten Blechkantenbereiche auf eine Temperatur von 600°C bis Solidustemperatur erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung der kaltverfestigten Biechkantenbereiche auf eine Temperatur von Ac1 bis Solidustemperatur erfolgt.
  6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung auf Umformtemperatur induktiv, konduktiv, mittels Strahlungserwärmung oder mittels Laserstrahlung erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Erwärmung mittels einer Widerstandsschweißeinrichtung oder mittels eines Lasers erfolgt.
  8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Platine in einem oder in mehreren Schritten umgeformt wird.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Blechplatine einen organischen und/oder metallischen Überzug aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der metallische Überzug Zn und/oder Mg und/oder Al und/oder Si enthält.
  11. Verfahren nach mindestens einem der Anspruch 1 bis 10.
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmebehandlung in Ebenenrichtung der Platine, ausgehend von der Blechkante, in einem Bereich erfolgt, der maximal der Blechdicke entspricht.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Bereich um die Stelle der Wärmebehandlung vor Oxidation geschützt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Schutz vor Oxidation, der Bereich um die Stelle der Wärmebehandlung mindestens während der Wärmeeinwirkung mittels eines Inertgases gespült wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Bereich um die Stelle der Wärmebehandlung zusätzlich vor und/oder nach der Wärmeeinwirkung mittels eines Inertgases gespült wird.
  15. Verwendung einer Platine aus Stahl zur Umformung zu einem Bauteil bei Raumtemperatur, bei der die Platine vor der Umformung aus einem Band oder Blech bei Raumtemperatur mechanisch zugeschnitten wird und fallweise weitere Stanz- oder Schneidoperationen zur Erzielung von Aussparungen oder Durchbrüchen bei Raumtemperatur durchgeführt werden, bei der vor der Umformung zu einem Bauteil an den geschnittenen oder gestanzten Blechkanten, welche eine Kaltverfestigung erfahren haben, eine Wärmebehandlung von mindestens 600°C über eine Zeitdauer von 0,02 bis 10 Sekunden oder 0,1 bis 2 Sekunden durchgeführt wird.
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