EP3414028A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen gehärteter stahlbauteile - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen gehärteter stahlbauteile

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EP3414028A1
EP3414028A1 EP17703744.7A EP17703744A EP3414028A1 EP 3414028 A1 EP3414028 A1 EP 3414028A1 EP 17703744 A EP17703744 A EP 17703744A EP 3414028 A1 EP3414028 A1 EP 3414028A1
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EP
European Patent Office
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tool
forming
oxygen
sheet
sheet metal
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EP17703744.7A
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English (en)
French (fr)
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Siegfried Kolnberger
Johannes HASLMAYR
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Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
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Publication date
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Publication of EP3414028A1 publication Critical patent/EP3414028A1/de
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Publication of EP3414028B1 publication Critical patent/EP3414028B1/de
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing hardened steel components.
  • Hardened steel components have the advantage in particular in car body of motor vehicles that, by their protruding ⁇ mechanical properties, there is a way to create a particularly stable passenger cell, without construction ⁇ parts must be used, which are formed in normal strength much more massive and thus heavy become.
  • steel grades which are curable by quench hardening are used.
  • Such steels are, for example, boron-alloyed manganese carbon steels, with the most widely used, here 22MnB5. But other boron-alloyed Mangankoh ⁇ lenstoffstähle be used for this purpose.
  • the steel material must be heated and to wait until the steelworks ⁇ material is austenitized to the austenitizing temperature (> AC 3). Depending on the desired degree of hardness partial or full austenitisings can be achieved here.
  • the device thus produced is then austenitized and then inserted into a shape hardening tool, in the pressed it, but is converted into very low and the heat from the component flowing through the pressure in the pressing tool, with the above the critical Härtegeschwindig ⁇ not or speed.
  • press hardening in which a board separated from a steel strip bsp. From ⁇ cut or punched, then the board is made ⁇ tenitinstrument and the hot platinum at a temperature below 782 ° C in a preferably single-stage step umge ⁇ formed and cooled simultaneously with a velocity lying above the critical speed.
  • Form hardening is also referred to as an indirect process and press hardening as a direct process.
  • the advantage of the indirect process is that more complex workpiece geometries can be realized.
  • the advantage of the direct process that a higher Mate ⁇ rialversgrad can be achieved.
  • the achievable component complexity is lower, especially in the single-stage forming process.
  • microcracks are formed in the surface.
  • first-order microcracks and second-order microcracks.
  • Microcracks of the first order are attributed to the so-called liquid metal embrittlement.
  • Liquid zinc phases are thought to interact with remaining austenite phases during forming, ie, while tensile stresses are being applied to the material, creating microcracks with depths of up to several hundred microns in the material.
  • the applicant has succeeded by active or passive cooling of the material between removal from the Erhitzungs ⁇ oven and before the start of Warmumformvorgangs on tempera ⁇ reindeer, where no liquid zinc phases are left, to stop these microcracks first order. This means that hot working takes place at temperatures below about 750 ° C.
  • the second order microcracks to date in the Warmumfor ⁇ tion despite pre-cooling can not be controlled and are also formed in Warmumformtemperaturen below 600 ° C.
  • the crack depths here are up to several 10 pm.
  • Neither microcracks first order still microcracks second Ord ⁇ voltage be accepted by the users, as this is a Moegli ⁇ che source of damage.
  • a production of components can not be backed up without Darge ⁇ microcracks second order.
  • the die used for hot forming and press hardening should be liquid coated in its defined by a positive drawing radius Ziehkanten Society with a material material or be provided with an insert which has a thermal conductivity which is lower by at least 10 W / (mx K) than the thermal conductivity of the drawing edges ⁇ area adjacent section of the die which comes into contact during Warmum ⁇ forming and press hardening of the work piece with the same.
  • the workpiece-facing surface of the material applied in the draw ⁇ edge region or the arranged Einsat zers should have a extending over the drawing edge transverse dimension, which is in the range of 1.6 times to 10 times the positive drawing radius of the die. This makes the flow characteristics of workpieces made of sheet steel is to be improved during the hot forming and thus the risk of occurrence of cracks during hot forming of work pieces made of sheet steel, preferably galvanized steel plates, are fixed ⁇ Lich reduced. With such a tool, however, microcracks of the second kind can not be avoided.
  • the object of the invention is to avoid microcracks of the second kind in directly hot-formed, ie press-hardened components.
  • micro-cracks of the second type are corresponds when entering tensile-strained areas occurring zinc ⁇ vapor in sufficient concentration to the steel, so- ⁇ -called Vapor metal embrittlement (VME).
  • VME Vapor metal embrittlement
  • Zinc vapor is formed by tearing the zinc iron layer during stretching during the forming process.
  • Sufficient concentration occurs in particular in those areas in which direct contact of the sheet with the tool prevails or there is a very small distance between the sheet and the tool.
  • a very small distance in the sense of the invention is less than 0.5 mm.
  • the zinc vapor occurs either by gas streams ⁇ in the tensile-strained regions (Deh ⁇ voltage rand fiber) (convection) is discharged or blown off or sufficiently diluted.
  • gas streams ⁇ in the tensile-strained regions (Deh ⁇ voltage rand fiber) (convection) is discharged or blown off or sufficiently diluted.
  • by access Of zinc fluids are rapidly converted into a stable compound such as zinc oxide or ZnJ2.
  • protection of the steel against second order microcracks can also be achieved by creating a protective layer such as an oxide layer by supplying a fluid. All measures described have ever ⁇ shown wells that microcracks are significantly reduced.
  • microcracks of the second order is ensured by the fact that at the sheet metal blank to be formed during the forming and hardening process, the surrounding medium is exchanged in those areas at which tensile strains occur at an edge fiber. By replacing the passing on ⁇ zinc vapor is diluted or removed.
  • the medium for this may be air, oxygen, nitrogen or ⁇ particular to fluids or gases.
  • gaseous oxygen-containing fluids such as air or oxygen, as these may not unduly contaminate the tool or a allvert ⁇ celled unwanted massive cooling effect as Ex. Water can be easily regulated by tempering the fluid.
  • These media are introduced through holes or other accesses such as by means of recesses in the tool and particularly preferably injected with an overpressure of more than 1 bar. In a suction, this is also preferably carried out with more than 1 bar pressure.
  • a continuous exchange of Me ⁇ diums in operation because as uniform as possible Herstellbedin ⁇ conditions are created.
  • a preheating unit may be provided for heating the fluid prior to introduction in order to achieve a certain temperature and the cooling effect verrin ⁇ like, since the curing of the component is preferably carried out only at the end of the forming process, ie when the tool is completely closed ,
  • cutout can in the mold is present, wel ⁇ surface is dimensioned such that on the one hand the deep drawing is not compromised or the board or the workpiece is wavy and the other hand is dimensioned so that the heat dissipation flow which is necessary for curing, also did not measure ⁇ gebod impaired.
  • the recesses but are dimensioned so that they constitute a reservoir for fluids, in particular oxygen so that enough oxygen to which pulling board or the material passes in order to supply mywer ⁇ Dende zinc phases or zinc iron phases for oxidation with Sauer ⁇ material.
  • the recesses on the tool side during the forming continuously with fluids or sour ⁇ containing fluids are fed, for example by suitable access openings, which can advantageously form a Strö ⁇ ment cushion.
  • the tool cavity may be flushed with an oxygen-containing fluid which is then present in the recesses.
  • an oxygen-containing fluid is air, which is supplied gasför ⁇ mig and the already mentioned fluids.
  • Figure 1 shows the tool area, adjacent to a pulling edge with an exemption according to the invention
  • 2 shows the pulling edge portion of a tool with a white ⁇ more advanced embodiment of the exemption of the invention
  • FIG. 3 shows the drawing edge region of a tool with a he ⁇ inventive slot arrangement in a partially sectioned side view
  • Figure 4 shows the arrangement of Figure 3 in a plan view.
  • FIG. 5 shows the drawing edge region of a tool with a sheet demold and fluid feed nozzles
  • the pulling edge region 1 or region of a positive radius 1 is arranged on a molding tool and has two workpiece-side surfaces 3, 4, which meet in the region of a drawing edge or a positive radius 2.
  • the drawing edge 2 in the drawing direction subsequent surface 4 a cutout 5 is arranged.
  • the cutout 5 is as ⁇ dimensioned in such a way that the remaining thickness of Ziehkan- te 2 between the surface 3 and the cutout 5 in approximately corresponds to its radius in order to provide an adequate supporting effect for the material to be drawn.
  • the cutout 5 has between the pulling edge 2 and the surface 4 has a height which is approximately 25 to 35 mm, at ei ⁇ ner depth of 5 to 9 mm.
  • Figure 2 is instead of a large-scale cutout 5 adjacent to the drawing edge 2, and this belas ⁇ send in already described strength, in the surface 4, a groove 6 is introduced.
  • the groove 6 be ⁇ sits a height between the surface 4 and the drawing edge 2, which is approximately 8 to 12 mm, at a depth of 5 to 9 mm.
  • a continuous cutout 5 in the region of the wall 4 adjacent to the drawing edge 2 there are a plurality of grooves 7 running in drawing direction, wherein the grooves 7 or Schlit ⁇ ze 7, for example, a slot width of 4 to 8 mm and ei ⁇ nen slot spacing of 7 to 11 mm have, so that the ver ⁇ remaining webs have a width of 1 to 5 mm.
  • the slots 7 or slots 7 here likewise have a depth of 5 to 9 mm.
  • the relatively small amount of fluid is sufficient in the pre ⁇ called geometries within the recesses 5, 6, 7, in spite of the webs 4 to prevent the formation of microcracks second kind we ⁇ kung fully by the making available of oxygen to stop.
  • the recesses 5, the groove 6, the slots 7 can back, that is from here tool, by means of leads and corresponding drilled pipes with an oxygen-containing fluid ver ⁇ provides, as necessary, the oxygen partial pressure in Area of the recesses 5, grooves 6 and 7 slots still increase.
  • a supply of acid ⁇ stoff Häm gas is thereby ensured in all cases that can be supplied via Zubowboh ⁇ stanchions 8 in the tool 1, or in a sheet hold-down or in a male mold 9 with gas pressure.
  • This gas can hereby be 4 ( Figure 2) or to the surfaces 4, 3 ge ⁇ into a cutout ( Figures 1 to 4) and / or the surface.
  • the corresponding holes 8 may be present, which extend to a hold-down surface 10. This is especially important if also take place in the sem ⁇ sheet metal stretching.
  • the supply bores 8 each have a diameter of preferably ⁇ 3 to 8 mm. However, if necessary, smaller diameters can also be used if the amount of outflowing fluid is large enough.
  • Titanium (Ti) 0, 01-0, 08
  • Titanium (Ti) 0, 03-0, 04
  • the optimum place of introduction of the oxygen-containing medium depends on the component geometry, since beading or undercutting must also be taken into account.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Presshärten von Stahlblechbauteilen, wobei einem Stahlblechband aus einer härtbaren Stahllegierung eine Platine ausgeschnitten wird und die Platine anschließend austenitisiert wird, indem sie auf eine Temperatur größer Ac3 erhitzt wird und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und in dem Umformwerkzeug umgeformt und beim Umformen mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Mikrorissen zweiter Art der umzuformenden Blechplatinen während des Umform- und Härtevorganges benachbart zu positiven Radien und/oder Ziehkanten Sauerstoff zugeführt wird und eine Vorrichtung hierzu.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen gehärteter Stahlbautei- le
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen gehärteter Stahlbauteile.
Gehärtete Stahlbauteile haben insbesondere im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass durch ihre herausragen¬ den mechanischen Eigenschaften eine Möglichkeit besteht, eine besonders stabile Fahrgast zelle zu erstellen, ohne dass Bau¬ teile verwendet werden müssen, die bei normalen Festigkeiten viel massiver und dadurch schwerer ausgebildet werden.
Zur Erzeugung derartiger gehärteter Stahlbauteile werden Stahlsorten, die durch eine Abschreckhärtung härtbar sind, verwendet. Derartige Stahlsorten sind zum Beispiel borlegierte Mangankohlenstoffstähle, wobei der am weitesten eingesetzte, hier der 22MnB5 ist. Aber auch andere borlegierte Mangankoh¬ lenstoffstähle werden hierfür verwendet.
Um die aus diesen Stahlsorten gehärtete Bauteile zu erzeugen, muss das Stahlmaterial auf die Austenitisierungstemperatur (>AC3) erhitzt werden und abgewartet werden, bis der Stahlwerk¬ stoff austenitisiert ist. Je nach gewünschtem Härtegrad können hier Teil- oder Vollaustenitisierungen erzielt werden.
Wird ein solches Stahlmaterial nach der Austenitisierung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Ge¬ schwindigkeit abgekühlt, wandelt die austenitische Struktur in eine martensitische, sehr harte Struktur um. Auf diese Weise sind Zugfestigkeiten Rm bis über 1500 MPa erzielbar. Zur Erzeugung der Stahlbauteile sind derzeit zwei Verfahrens¬ wege üblich.
Beim sogenannten Formhärten wird eine Stahlblechplatine aus einem Stahlband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt und anschließend in einem üblichen, beispielsweise fünfstufi¬ gen Tiefziehprozess zum fertigen Bauteil tiefgezogen. Dieses fertige Bauteil wird hierbei etwas kleiner dimensioniert, um eine nachfolgende Wärmedehnung beim Austenitisieren zu kompen- sieren.
Das so erzeugte Bauteil wird anschließend austenitisiert und dann in ein Formhärtewerkzeug eingelegt, in dem es gepresst, aber nicht oder nur sehr gering umgeformt wird und durch die Pressung die Wärme aus dem Bauteil in das Presswerkzeug fließt, und zwar mit der über der kritischen Härtegeschwindig¬ keit liegenden Geschwindigkeit.
Der weitere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten, bei dem eine Platine aus einem Stahlblechband abgetrennt bsp. aus¬ geschnitten oder gestanzt wird, anschließend die Platine aus¬ tenitisiert wird und die heiße Platine bei einer Temperatur unter 782°C in einem vorzugsweise einstufigen Schritt umge¬ formt und gleichzeitig mit einer über der kritischen Härtege- schwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt wird.
In beiden Fällen können mit metallischen Korrosionsschutz¬ schichten z.B. mit Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink versehene Platinen verwendet werden. Das Formhärten wird auch als indirekter Prozess bezeichnet und das Presshärten als direkter Prozess. Der Vorteil des indirekten Prozesses ist, dass aufwändigere Werkstücksgeometrien realisierbar sind. Der Vorteil des direkten Prozesses ist, dass ein höherer Mate¬ rialnutzungsgrad erreicht werden kann. Jedoch ist die erreich- bareBauteilkomplexität vor allem beim einstufigen Umformpro- zess geringer.
Beim Presshärten ist jedoch von Nachteil, dass es insbesondere bei verzinkten Stahlblechplatinen dazu kommt, dass Mikrorisse in der Oberfläche gebildet werden. Hierbei wird zwischen Mikrorissen erster Ordnung und Mikroris- sen zweiter Ordnung unterschieden.
Mikrorisse erster Ordnung werden auf das sogenannte Liquid Me- tal Embrittlement zurückgeführt. Man vermutet, dass flüssige Zinkphasen während des Umformens, d.h. während Zugspannungen auf das Material aufgebracht werden, mit noch bestehenden Aus- tenitphasen in Wechselwirkung geraten, wodurch Mikrorisse mit Tiefen bis zu einigen 100 pm im Material erzeugt werden. Der Anmelderin ist es gelungen, durch aktives oder passives Kühlen des Materials zwischen der Entnahme aus dem Erhitzungs¬ ofen und vor dem Start des Warmumformvorgangs auf Temperatu¬ ren, bei denen keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind, diese Mikrorisse erster Ordnung zu unterbinden. Dies bedeutet, dass die Warmumformung bei Temperaturen unter etwa 750 °C stattfindet .
Die Mikrorisse zweiter Ordnung sind bislang bei der Warmumfor¬ mung trotz Vorkühlung nicht beherrschbar und entstehen auch bei Warmumformtemperaturen unter 600 °C. Die Risstiefen hierbei betragen hierbei bis zu einigen 10 pm. Weder Mikrorisse erster Ordnung noch Mikrorisse zweiter Ord¬ nung werden von den Anwendern akzeptiert, da dies eine mögli¬ che Schadensquelle darstellt. Mit den bisherigen Methoden kann eine Produktion von Bauteilen ohne Mikrorisse zweiter Ordnung noch nicht gesichert darge¬ stellt werden.
Aus der DE 10 2011 055 643 AI ist ein Verfahren und Umform- Werkzeug zum Warmumformpresshärten von Werkstücken aus Stahl¬ blech bekannt, und insbesondere aus verzinkten Werkstücken aus Stahlblech. Hierbei soll die zum Warmumformen und Presshärten verwendete Matrize in ihrem durch einen positiven Ziehradius definierten Ziehkantenbereich mit einem Materialstoff flüssig beschichtet sein oder mit einem Einsatzteil versehen sein, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die um mindestens 10 W/ (m x K) geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des dem Ziehkanten¬ bereich benachbarten Abschnitts der Matrize, der beim Warmum¬ formen und Presshärten des Werkstücks mit demselben in Kontakt gelangt. Die dem Werkstück zugewandte Oberfläche des im Zieh¬ kantenbereich aufgetragenen Materials oder des angeordneten Einsat zteiles soll ein sich über die Ziehkante erstreckendes Quermaß besitzen, das im Bereich des 1,6-fachen bis 10-fachen des positiven Ziehradius der Matrize liegt. Hierdurch sollen die Fließeigenschaften von Werkstücken aus Stahlblech während des Warmumformens verbessert werden und damit die Gefahr des Auftretens von Rissen bei der Warmumformung von Werkstücken aus Stahlblech, vorzugsweise verzinkten Stahlplatinen, erheb¬ lich reduziert werden. Mit einem solchen Werkzeug können je- doch Mikrorisse zweiter Art nicht vermieden werden.
Aus der DE 10 2011 052 773 AI ist ein Werkzeug für ein Press¬ härtewerkzeug bekannt, wobei die formgebende Oberfläche des Werkzeugs bereichsweise durch in die Formoberfläche zwei ein- gebrachte Mikrovertlefungen mikrostrukturiert. Durch diese Maßnahme soll die für die Umformung eines Rohlings effektive Kontaktfläche zwischen der Formoberfläche mit einem Rohling auf die zwischen den Vertiefungen befindlichen Flächenanteile vier beschränkt werden. Hierdurch soll die Reibung vermindert werden .
Aus der DE 10 2004 038 626 B3 ist ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech bekannt, wobei vor, beim oder nach dem Formen des Formteils ein notwendiger Endbe¬ schnitt des Formteils und gegebenenfalls erforderliche Ausst¬ anzungen bzw. die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen wird und das Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffs ermöglicht, und wobei das Bauteil anschließend in ein Formhärtewerkzeug überführt wird und im Formhärtewerk¬ zeug eine Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das zu¬ mindest teilbereichsweise Anlegen und Pressen des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird, wobei das Bauteil vom Formhärtewerkzeug im Be¬ reich der positiven Radien gestützt wird, teilbereichsweise zumindest und im Bereich der Beschnittkanten vorzugsweise von zwei Klemmen festgehalten wird und in Bereichen, in denen das Bauteil nicht geklemmt wird, das Bauteil zumindest zu einer Formwerkzeughälfte mit einem Spalt beabstandet ist. Diese Ma߬ nahme dient dazu, das Bauteil verzugsfrei klemmen zu können und unterschiedliche Härtegradienten durch unterschiedliche Härtegeschwindigkeiten einzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, Mikrorisse zweiter Art in direkt warmumgeformten, also pressgehärteten Bauteilen zu vermeiden.
Die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des An¬ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ge¬ kennzeichnet . Es ist darüber hinaus eine Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaf¬ fen, mit der Stahlblechplatinen im Presshärteverfahren warmum¬ geformt und gehärtet werden können und bei dem Mikrorisse ver¬ mieden werden. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in hier¬ von abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfinder haben erkannt, dass Mikrorisse zweiter Art ent- stehen, wenn in zugbelasteten Bereichen der auftretende Zink¬ dampf in hinreichender Konzentration zum Stahl gelangt, soge¬ nanntes Vapour Metal Embrittlement (VME) . Zinkdampf entsteht durch Aufreißen der Zinkeisenschicht bei der Dehnung während des Umformvorgangs. Hinreichende Konzentration tritt insbeson- dere in jenen Bereichen auf in welchen direkter Kontakt des Blechs mit dem Werkzeug vorherrscht oder ein sehr geringer Ab¬ stand des Blechs zum Werkzeug vorliegt. Ein sehr geringer Ab¬ stand im Sinne der Erfindung ist weniger als 0,5 mm. Erfin¬ dungsgemäß sollen Mikrorisse zweiter Ordnung vermieden werden, wobei ein möglichst großes Arbeitsfenster hinsichtlich Materi¬ al und Temperatur erhalten bleibt und die Umsetzung kosten¬ günstig ist. Bei mindestens gleicher Durchlaufzeit soll keine Takt zeiterhöhung bzw. Durchsatzreduktion bei der Bauteilher¬ stellung resultieren.
Erfindungsgemäß wird bei den zugbelasteten Bereichen (Deh¬ nungsrandfaser) der auftretende Zinkdampf entweder durch Gas¬ ströme (Konvektion) abgeführt bzw. abgeblasen oder ausreichend verdünnt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann durch Zutritt von Fluiden Zink rasch in eine stabile Verbindung wie Zinkoxid oder ZnJ2 umgewandelt werden. Des Weiteren kann der Schutz des Stahls gegen Mikrorisse zweiter Ordnung auch durch Erzeugung einer Schutzschicht wie zB Oxidschicht, mittels Zuführen eines Fluids erreicht werden. Alle beschriebenen Maßnahmen haben je¬ weils gezeigt, dass Mikrorisse deutlich reduziert werden.
Die Vermeidung der Mikrorisse zweiter Ordnung wird hierbei dadurch gewährleistet, dass an der umzuformenden Blechplatine während des Umform- und Härtevorganges das Umgebungsmedium in jenen Bereichen an welchen Zugdehnungen an einer Randfaser auftreten ausgetauscht wird. Durch den Austausch wird der auf¬ tretende Zinkdampf verdünnt oder entfernt.
Durch Austausch des Umgebungsmediums kann durch insbesondere kontinuierliches Einbringen oder Abführen, also Eindüsung oder Absaugung eines Mediums geschehen.
Das Medium hierfür kann Luft, Sauerstoff, Stickstoff oder an¬ dere Fluide bzw. Gase sein.
Besonders bevorzugt sind gasförmige sauerstoffhaltige Fluide wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, da diese das Werkzeug nicht über Gebühr verunreinigen können bzw. auch eine allfäl¬ lige unerwünschte massive Kühlwirkung wie durch bsp. Wasser durch Temperierung des Fluids leichter reguliert werden kann.
Diese Medien werden über Bohrungen oder andere Zugänge wie mittels Freisparungen im Werkzeug eingebracht und besonders bevorzugt mit einem Überdruck von mehr als 1 bar eingedüst. Bei einer Absaugung erfolgt diese ebenso bevorzugt mit mehr als 1 bar Druck.
Besonders bevorzugt ist ein kontinuierlicher Austausch des Me¬ diums im Betrieb, da so möglichst gleichmäßige Herstellbedin¬ gungen geschaffen werden. Zusätzlich kann ein Vorwärmaggregat für eine Erwärmung des Fluids vor der Einbringung vorgesehen sein um eine bestimmte Temperierung zu erreichen als auch die Kühlwirkung zu verrin¬ gern, da die Härtung des Bauteils vorzugsweise erst beim Ende des Umformvorganges erfolgen soll, d.h. wenn das Werkzeug vollständig geschlossen ist.
Zusätzlich können Freisparung im Werkzeug vorhanden ist, wel¬ che so dimensioniert ist, dass einerseits das Tiefziehen nicht beeinträchtigt wird oder die Platine bzw. das Werkstück wellig wird und andererseits so dimensioniert ist, dass der Wärmeab- fluss, der für die Härtung notwendig ist, ebenfalls nicht ma߬ geblich beeinträchtigt wird. Die Freisparungen sind aber so bemessen, dass sie ein Reservoir für Fluide insbesondere Sau- erstoff derart darstellen, dass ausreichend Sauerstoff an die sich ziehende Platine bzw. das Material gelangt, um freiwer¬ dende Zinkphasen oder Zinkeisenphasen zur Oxidation mit Sauer¬ stoff zu versorgen. Vorteilhafterweise können die Freisparungen werkzeugseitig während der Umformung kontinuierlich mit Fluiden oder Sauer¬ stoff enthaltenden Fluiden gespeist werden, zum Beispiel durch geeignete Zutrittsöffnungen, wobei sich vorteilhaft ein Strö¬ mungskissen ausbilden kann. Zudem kann der Werkzeughohlraum nach dem Ausformen eines Werkstücks und vor dem Einlegen einer weiteren Platine mit einem sauerstoffhaltigen Fluid gespült werden, welches dann in den Freisparungen vorhanden ist. Bei¬ spiele für ein sauerstoffhaltiges Fluid ist Luft, die gasför¬ mig zugeführt wird sowie die bereits genannten Fluide.
Es hat sich gezeigt, dass der Austausch des Umgebungsmediums an den zugbelasteten Stellen, auch wenn dieses Medium nicht direkt an diesen zugbelasteten Stellen eingebracht wird, die Bildung von Mikrorissen zweiter Ordnung wirkungsvoll durch Ab¬ führung von auftretenden Zinkdampf unterbindet.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläu- tert . Es zeigen dabei:
Figur 1 den Werkzeugbereich, benachbart zu einer Ziehkante mit einer erfindungsgemäßen Freistellung; Figur 2 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer wei¬ teren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freistellung;
Figur 3 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer er¬ findungsgemäßen Schlitzanordnung in einer teilgeschnittenen Seitenansicht;
Figur 4 die Anordnung nach Figur 3 in einer Draufsicht.
Figur 5 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einem Blechniederhalter und Fluidzufuhrdüsen;
Der Ziehkantenbereich 1 bzw. Bereich eines positiven Radius 1 ist an einem Formwerkzeug angeordnet und besitzt zwei werk- stückseitige Flächen 3, 4, welche sich im Bereich einer Zieh- kante oder eines positiven Radius 2 treffen.
In einer, der Ziehkante 2 in Ziehrichtung nachfolgenden Fläche 4 ist eine Freisparung 5 angeordnet. Die Freisparung 5 ist da¬ bei so dimensioniert, dass die verbleibende Dicke der Ziehkan- te 2 zwischen der Fläche 3 und der Freisparung 5 in etwa ihrem Radius entspricht, um eine ausreichende Stützwirkung für das zu ziehende Material zu bieten. Die Freisparung 5 besitzt zwischen der Ziehkante 2 und der Fläche 4 eine Höhe, die in etwa 25 bis 35 mm beträgt, bei ei¬ ner Tiefe von 5 bis 9 mm. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Figur 2) ist anstelle einer großflächigeren Freisparung 5 benachbart zur Ziehkante 2, und diese in bereits beschriebener Stärke belas¬ send, in die Fläche 4 eine Nut 6 eingebracht. Die Nut 6 be¬ sitzt dabei eine Höhe zwischen der Fläche 4 und der Ziehkante 2, die in etwa 8 bis 12 mm beträgt, bei einer Tiefe von 5 bis 9 mm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist anstelle einer durchgehenden Freisparung 5 im Bereich der Wandung 4 be- nachbart zur Ziehkante 2 eine Mehrzahl von in Ziehrichtung verlaufenden Nuten 7 vorhanden, wobei die Nuten 7 bzw. Schlit¬ ze 7 beispielsweise eine Schlitzbreite von 4 bis 8 mm und ei¬ nen Schlitzabstand von 7 bis 11 mm besitzen, so dass die ver¬ bleibenden Stege eine Breite von 1 bis 5 mm besitzen. Die Nu- ten 7 bzw. Schlitze 7 besitzen hier ebenfalls eine Tiefe von 5 bis 9 mm.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass bei den vorge¬ nannten Geometrien die relativ geringe Fluidmenge innerhalb der Freisparungen 5, 6, 7 gegebenenfalls auch trotz der Stege 4 ausreicht, um die Bildung von Mikrorissen zweiter Art wir¬ kungsvoll durch die zur Verfügungstellung von Sauerstoff zu unterbinden . Bei einer vorteilhaften Ausführungsform (nicht gezeigt) können die Freisparungen 5, die Nut 6, die Schlitze 7 rückseitig, d.h. vom Werkzeug her, mittels Zuführungen und entsprechend gebohrter Leitungen mit einem sauerstoffhaltigen Fluid ver¬ sorgt werden, um gegebenenfalls den Sauerstoffpartialdruck im Bereich der Freisparungen 5, Nuten 6 und Schlitze 7 noch zu erhöhen .
Um bei kontinuierlichen Prozessen den Sauerstoffgehalt inner- halb dieser Freisparungen 5, Nuten 6 und Schlitze 7 auf einem hohen Niveau zu halten, kann auch der Formhohlraum mit einem sauerstoffhaltigen Fluid so gespült werden, dass jederzeit ge¬ nug Sauerstoffreservoir in den Freistellungen 5, Nuten 6 und Schlitzen 7 gegeben ist.
Erfindungsgemäß wird in allen Fällen eine Zuführung von sauer¬ stoffhaltigem Gas dadurch gewährleistet, dass über Zufuhrboh¬ rungen 8 im Werkzeug 1, oder in einem Blechniederhalter oder in einer Patrize 9 Gas mit Druck zugeführt werden kann. Dieses Gas kann hierbei in eine Freisparung (Figuren 1 bis 4) und/oder die Fläche 4 (Figur 2) oder zu den Flächen 4, 3 ge¬ führt werden. Beim Vorhandensein eines Oberwerkzeuges oder ei¬ nes Blechniederhalters 9 können auch hier die entsprechenden Bohrungen 8 vorhanden sein, die zu einer Niederhalterfläche 10 reichen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn auch in die¬ sem Bereich Blechdehnungen stattfinden.
Die Zufuhrbohrungen 8 weisen jeweils einen Durchmesser von be¬ vorzugt 3 bis 8 mm auf. Jedoch können ggf. auch kleinere Durchmesser angewandt werden, wenn die Menge an ausströmenden Fluid groß genug ist.
Beispielsweise hat sich gezeigt, dass bei einer Stempelge¬ schwindigkeit von 250 mm/Sekunde bereits eine Luftzufuhr von 0,01 1/Sekunde pro cm2 umzuformende Blechoberfläche ausrei¬ chend war um Mikrorisse zweiter Ordnung bei einer Umformtempe¬ ratur kleiner 600°C wirkungsvoll zu vermeiden.
Bei höheren Umformtemperaturen sind größere Luftmengen erfor¬ derlich. Neben dem 22MnB5 finden auch - vor allem beim direkten Press- härteprozess - der 20MnB8, 22MnB8 und andere Mangan-Bor-Stähle Anwendung .
Für die Erfindung sind somit Stähle dieser Legierungszusammen¬ setzung geeignet (alle Angaben in Masse-%) :
C Si Mn P S AI Cr Ti B N
[%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]
0,20 0,18 2,01 0,0062 0,001 0,054 0,03 0,032 0,0030 0,0041 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.
Für die Erfindung sind auch Stähle der allgemeinen Legierungs- Zusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%) :
Kohlenstoff (C) 0 08-0, 6
Mangan (Mn) 0,8-3, 0
Aluminium (AI) 0, 01-0, 07
Silizium (Si) 0, 01-0, 8
Chrom (Cr) 0, 02-0, 6
Titan (Ti) 0, 01-0, 08
Stickstoff (N) < 0, 02
Bor (B) 0, 002-0, 02
Phosphor (P) < 0,01
Schwefel (S) < 0,01
Molybdän (Mo) < 1
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnunge wie folgt (alle Angaben in Masse-%) : Kohlenstoff (C) 0, 08-0,35
Mangan (Mn) 1, 00-3, 00
Aluminium (AI) 0,03-0,06
Silizium (Si) 0, 01-0,20
Chrom (Cr) 0, 02-0, 3
Titan (Ti) 0, 03-0, 04
Stickstoff (N) < 0, 007
Bor (B) 0, 002-0, 006
Phosphor (P) < 0,01
Schwefel (S) < 0,01
Molybdän (Mo) < 1
Rest Eisen und erschmel zungsbedingte Verunreinigungen
Der optimale Einbringungsort des sauerstoffhaltigen Mediums ist von der Bauteilgeometrie abhängig, da Sicken bzw. Hinter- schneidungen auch berücksichtigt werden müssen.
Es kann auch vorteilhaft sein, anstelle von wenigen, größeren Bohrung ein siebartiges Muster an kleinen Einbringungen über eine größere Fläche im Werkzeug vorzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Presshärten von Stahlblechbauteilen, wobei einem Stahlblechband aus einer härtbaren Stahllegierung eine Platine abgetrennt wird und die Platine anschließend auste- nitisiert wird, indem sie auf eine Temperatur größer Ac3 er¬ hitzt wird und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und in dem Umformwerkzeug umgeformt und beim Umformen mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Mikrorissen zweiter Art an der umzuformenden Blechplatine während des Umform- und Härtevorganges das Umgebungsmedium an zugbelasteten Stellen eingedüst oder abgesaugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung des Umgebungsmediums mit mehr als 1 bar Über¬ druck erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgebungsmedium Luft oder Sauerstoff oder Stickstoff ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgebungsmedium kontinuierlich eingedüst oder abgesaugt wird .
5. Vorrichtung zum Durchführen der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zwei Formwerkzeughälften, wobei die zwei Formwerkzeughälften eine Platine tiefziehend zusam¬ menwirken und aufeinander zufahrbar und auseinanderfahrbar ausgebildet sind, wobei zumindest eine Zu- bzw. Ableitung (8) zum Austausch eines fluiden Mediums an zugbelasteten Stellen angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Freisparung in zugbelasteten Bereichen des Blechs angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Freisparungen (5, 6, 7) und/oder Werkzeugflächen (3, 4, 10) rückseitig, d.h. vom Werkzeug (1) her, mittels Zuführungen und entsprechend gebohrter Leitungen (8) mit einem sauerstoff¬ haltigen Fluid versorgbar sind.
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