EP3414072A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen gehärteter stahlbauteile - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen gehärteter stahlbauteile

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EP3414072A1
EP3414072A1 EP17707480.4A EP17707480A EP3414072A1 EP 3414072 A1 EP3414072 A1 EP 3414072A1 EP 17707480 A EP17707480 A EP 17707480A EP 3414072 A1 EP3414072 A1 EP 3414072A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oxygen
edge
recesses
forming
cutout
Prior art date
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Granted
Application number
EP17707480.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3414072B1 (de
Inventor
Johannes HASLMAYR
Siegfried Kolnberger
Harald Schwinghammer
Andreas Sommer
Benedikt TUTEWOHL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Stahl GmbH, Voestalpine Metal Forming GmbH filed Critical Voestalpine Stahl GmbH
Publication of EP3414072A1 publication Critical patent/EP3414072A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3414072B1 publication Critical patent/EP3414072B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C21D9/48—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals deep-drawing sheets

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.
  • ⁇ layers for example be used with zinc or an alloy based on zinc boards provided with metallic corrosion protection.
  • 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 goal of reaching ⁇ cash component complexity is lower, especially the single-stage process Umformpro-.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • microcracks of the second order is ensured here by the fact that in the region of the positive radii, ie in the region of the drawing edges of the matrix and / or the patrix in the drawing direction, there is a cutout following the drawing edge or other contact regions outside the positive radii / pulling edge is, which is dimensioned so that on the one hand, the deep drawing is not affected or the board or the workpiece is wavy and on the other hand so di ⁇ dimensioned that the heat dissipation, which is necessary for curing, also not significantly affected.
  • the recesses but are dimensioned so that they constitute a Reser ⁇ voir for oxygen so that sufficiently acidic ⁇ material to which pulling board or the material passes in order to supply liberated zinc phases or zinc iron phases for the oxidation with oxygen.
  • the cutout acts as a fluid reservoir especially for Sau ⁇ erstoff, but this reservoir may be other fluids contained ⁇ th, such as water or nitrogen. If these are filled with a noble gas or even in particular continuously be washed with, they do not act by oxidation but by dilution or removal of the occurring zinc vapor.
  • the recesses can be fed advantageously tool side during the forming process continuously with oxygen-containing fluids, for example, by ge ⁇ suitable access openings, wherein advantageously capable of forming a Strö ⁇ mung pillow.
  • the tool cavity can be rinsed after forming a workpiece and before inserting another board with a particular oxygen-containing fluid, which is then present in the recesses ⁇ .
  • an oxygen-containing fluid is air than water and that these can be fed in liquid or gaseous ⁇ shaped.
  • the invention is exemplified erläu ⁇ tert reference to a drawing. It shows:
  • Figure 1 shows the tool area, adjacent to a pulling edge with an exemption according to the invention
  • FIG. 2 shows the pulling edge portion of a tool with a white ⁇ more advanced embodiment of the exemption of the invention
  • 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.
  • 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 according to the invention is arranged.
  • the cutout 5 is dimensioned such that the remaining thickness of the de drawing edge 2 between the surface 3 and the Freis ⁇ Parung 5 corresponds approximately 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 Runaway ⁇ Henden cutout 5 has a plurality of extending in the drawing direction Nu ⁇ th 7 adjacent in the area of the wall 4 is provided to the pulling edge 2, wherein the grooves or slots 7 7 beispiels- example, have a slot width of 4 to 8 mm and a Schlitzab ⁇ stand of 7 to 11 mm, so that the remaining Ste ⁇ ge have a width of 1 to 5 mm.
  • the grooves 7 and slots 7 here also have a depth of 5 to 9 mm.
  • the recesses 5, the groove 6, the slots 7 back ie by the tool, by means of feeds and correspondingly drilled lines with an oxygen-containing fluid ver ⁇ provides, if necessary, the oxygen partial pressure in the region of the recesses 5, grooves 6 and 7 slots still increase.
  • the mold cavity may be flushed with an oxygen-containing fluid so that anytime overall nug oxygen reservoir in the free positions 5, grooves 6 and slots 7 is given.
  • the 20MnB8, 22MnB8 and other manganese boron steels are also used, especially in the direct compression hardening process.
  • Titanium (Ti) 0, 01-0, 08
  • Titanium (Ti) 0, 03-0, 04
  • N Nitrogen
  • B Boron
  • P Phosphorus

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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 Blechplatien 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¬ bare Bauteilkomplexität 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 Mikrovertiefungen 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 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 Maßnahme 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 6 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.
Erfindungsgemäß sollen Mikrorisse zweiter Ordnung vermieden werden, wobei ein möglichst großes Arbeitsfenster hinsichtlich Material und Temperatur erhalten bleibt und die Umsetzung kos¬ tengünstig ist. Bei mindestens gleicher Durchlaufzeit soll keine Takt zeiterhöhung bzw. Durchsatzreduktion bei der Bau¬ teilherstellung 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.
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.
Die Vermeidung der Mikrorisse zweiter Ordnung wird hierbei dadurch gewährleistet, dass im Bereich der positiven Radien, d.h. im Bereich der Ziehkanten der Matrize und/oder der Patri- ze in Ziehrichtung anschließend an die Ziehkante oder andere Kontaktbereiche außerhalb der positiven Radien/Ziehkante eine Freisparung vorhanden ist, welche so dimensioniert ist, dass einerseits das Tiefziehen nicht beeinträchtigt wird oder die Platine bzw. das Werkstück wellig wird und andererseits so di¬ mensioniert ist, dass der Wärmeabfluss , der für die Härtung notwendig ist, ebenfalls nicht maßgeblich beeinträchtigt wird. Die Freisparungen sind aber so bemessen, dass sie ein Reser¬ voir für Sauerstoff derart darstellen, dass ausreichend Sauer¬ stoff an die sich ziehende Platine bzw. das Material gelangt, um freiwerdende Zinkphasen oder Zinkeisenphasen zur Oxidation mit Sauerstoff zu versorgen.
Die Freisparung wirkt als Fluidreservoir insbesondere für Sau¬ erstoff, dieses Reservoir kann aber auch andere Fluide enthal¬ ten, wie Wasser oder auch Stickstoff. Falls diese mit einem Edelgas gefüllt sind oder auch insbesondere kontinuierlich da- mit gespült werden, wirken diese nicht durch Oxidation sondern durch Verdünnung bzw. Abführung des auftretenden Zinkdampfes.
Gegebenenfalls können die Freisparungen werkzeugseitig vor- teilhaft während der Umformung kontinuierlich mit Sauerstoff enthaltenden Fluiden gespeist werden, zum Beispiel durch ge¬ eignete 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 insbesondere sauerstoffhaltigen Fluid gespült werden, welches dann in den Freisparungen vor¬ handen ist. Beispiele für ein sauerstoffhaltiges Fluid ist Luft als auch Wasser d.h. diese können flüssig als auch gas¬ förmig zugeführt werden.
Es hat sich gezeigt, dass diese Freisparungen, auch wenn sie nur eine vergleichsweise geringfügige Ausdehnung haben, die Bildung von Mikrorissen zweiter Ordnung wirkungsvoll durch Oxidation der Zinkphasen oder Zinkeisenphasen unterbinden.
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. 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 erfindungsgemäße Freisparung 5 angeordnet. Die Freisparung 5 ist dabei so dimensioniert, dass die verbleiben- de Dicke der Ziehkante 2 zwischen der Fläche 3 und der Freis¬ parung 5 in etwa ihrem Radius entspricht, um eine ausreichende Stützwirkung für das zu ziehende Material zu bieten.
Selbstverständlich können weitere Freisparungen vorgesehen sein, welche an Kontaktbereichen des Bleches mit dem Werkzeug angebracht sind, wobei sich diese Kontaktbereiche über einen maximalen Abstand des Bleches zum Werkzeug von ca. 0,5 mm de¬ finieren .
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 Ausführungsform ist anstelle einer durchge¬ henden Freisparung 5 im Bereich der Wandung 4 benachbart zur Ziehkante 2 eine Mehrzahl von in Ziehrichtung verlaufenden Nu¬ ten 7 vorhanden, wobei die Nuten 7 bzw. Schlitze 7 beispiels- weise eine Schlitzbreite von 4 bis 8 mm und einen Schlitzab¬ stand von 7 bis 11 mm besitzen, so dass die verbleibenden Ste¬ ge eine Breite von 1 bis 5 mm besitzen. Die Nuten 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.
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-%) : Si Mn 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 Stahlanordnungen 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 erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

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 Blechplatinen während des Umform- und Härtevorganges
- benachbart zu positiven Radien und/oder Ziehkanten und/oder
- an anderen Kontaktbereichen außerhalb der positiven Radien und/oder Ziehkante
ein sauerstoffhaltiges Fluidreservoir vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffzutritt durch im Formwerkzeug benachbart zu den Ziehkanten und/oder positiven Radien vorgesehene Freisparungen erfolgt, welche so dimensioniert sind, dass das Tiefziehen nicht beeinträchtigt wird und die Freisparung ein Reservoir für sauerstoffhaltige Fluide, bildet oder durch diese Freispa¬ rung sauerstoffhaltige Fluide, zugeführt werden kann.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zutritt von sauerstoffhaltigem Fluid durch in den Freisparungen vorhandene Luft gewährleistet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freisparungen von der Formwerkzeug¬ seite her mit Fluiden oder Sauerstoff oder Sauerstoff enthal¬ tenden Fluiden gespeist wird oder die Freisparungen oder der Formenhohlraum zwischen zwei Umformvorgängen mit Fluiden ins- besondere Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltendem Fluid gespeist werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Freisparungen abgesaugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffhaltig Fluid kontinuierlich zugeführt wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens 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 entsprechend einer gewünschten Umform- kontur zumindest ein positiver Radius (1) oder ein Ziehkanten¬ bereich (1) mit einer Ziehkante (2) vorhanden ist, wobei
- in einer der Ziehkante (2) bzw. dem positiven Radius (1) in Ziehrichtung nachfolgenden Fläche (4) und/oder
- an anderen Kontaktbereichen außerhalb der positiven Radien (1) und/oder Ziehkante (2)
eine Freisparung (5) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Freisparung (5) so dimensioniert ist, dass die verbleiben- de Dicke der Ziehkante (2) zwischen einer die Ziehkante (2) begrenzenden Fläche und der Freisparung (5) in etwa ihrem Ra¬ dius entspricht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich- net, dass die Freisparung (5) zwischen der Ziehkante (2) und einer Formwerkzeugfläche (4) eine Höhe besitzt, die etwa 25 bis 35 mm bei einer Tiefe von 5 bis 9 mm beträgt oder als Nut (6) ausgebildet ist, welche eine Höhe zwischen der Fläche (4) und der Ziehkante (2) besitzt, die in etwa 8 bis 12 mm beträgt bei einer Tiefe von 5 bis 9 mm oder im Bereich der Wandung (4) benachbart zur Ziehkante (2) eine Mehrzahl von den in Zieh¬ richtung verlaufenden Nuten (7) als Freisparungen vorhanden sind, wobei die Nuten (7) bzw. Schlitze (7) eine Schlitzbreite von 4 bis 8 mm und ein Schlitzabstand von 7 bis 11 mm besit¬ zen, so dass die verbleibenden Stege eine Breite von 1 bis 5 mm besitzen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Freisparungen (5), die Nuten (6) oder die Schlitz (7) rückseitig, d.h. vom Werkzeug her, mittels Zu¬ führungen und entsprechend gebohrter Leitungen mit einem sau¬ erstoffhaltigen Fluid versorgbar sind.
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