EP3414072B1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen gehärteter stahlbauteile - Google Patents

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EP3414072B1
EP3414072B1 EP17707480.4A EP17707480A EP3414072B1 EP 3414072 B1 EP3414072 B1 EP 3414072B1 EP 17707480 A EP17707480 A EP 17707480A EP 3414072 B1 EP3414072 B1 EP 3414072B1
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EP
European Patent Office
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oxygen
free
blade
positive
moulding tool
Prior art date
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Active
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EP17707480.4A
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English (en)
French (fr)
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EP3414072A1 (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
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Filing date
Publication date
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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 a device for producing hardened steel components.
  • Hardened steel components have the advantage, particularly in the body shop of motor vehicles, that their outstanding mechanical properties make it possible to create a particularly stable passenger cell without having to use components that are much more massive and therefore heavier with normal strengths.
  • types of steel which can be hardened by quench hardening are used.
  • types of steel are, for example, boron-alloyed manganese carbon steels, the most widely used here being 22MnB5.
  • other boron-alloyed manganese carbon steels are also used for this purpose.
  • the steel material In order to produce components hardened from these types of steel, the steel material must be heated to the austenitizing temperature (> AC 3 ) and wait until the steel material is austenitized. Depending on the required degree of hardness, partial or full austenitization can be achieved here.
  • a sheet steel blank is separated from a steel strip, e.g. cut or punched and then deep-drawn into the finished component in a conventional, for example five-step deep-drawing process.
  • This finished component is dimensioned slightly smaller in order to compensate for a subsequent thermal expansion during austenitizing.
  • the component produced in this way is then austenitized and then placed in a form hardening tool, in which it is pressed, but not or only very slightly deformed, and the heat flows from the component into the pressing tool as a result of the compression, at a rate that is above the critical hardening speed Speed.
  • the further method is the so-called press hardening, in which a plate is separated from a sheet steel strip, bsp. is cut or punched, then the blank is austenitized and the hot blank is formed at a temperature below 782 ° C in a preferably one-stage step and at the same time cooled at a rate above the critical hardening speed.
  • metallic corrosion protection layers can be used, e.g. plates provided with zinc or an alloy based on zinc can be used.
  • Press hardening is also known 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 implemented.
  • the advantage of the direct process is that a higher degree of material utilization can be achieved. However that is achievable component complexity is lower, especially in the one-step forming process.
  • First-order micro-cracks are attributed to the so-called liquid metal embrittlement. It is believed that liquid zinc phases during forming, i.e. While tensile stresses are applied to the material, they interact with the remaining austenite phases, as a result of which microcracks with depths of up to several 100 ⁇ m are generated in the material.
  • the applicant has succeeded in preventing these first-order microcracks by actively or passively cooling the material between removal from the heating furnace and before the start of the hot forming process to temperatures at which there are no longer any liquid zinc phases. This means that the hot forming takes place at temperatures below approx. 750 ° C.
  • the second-order microcracks have so far not been manageable in hot forming despite pre-cooling and also arise at hot forming temperatures below 600 ° C.
  • the crack depths here are up to a few 10 ⁇ m.
  • a method and forming tool for hot forming press hardening of workpieces made of sheet steel is known, and in particular of galvanized workpieces made of sheet steel.
  • the die used for hot forming and press hardening should be coated with a liquid material in its drawing edge area defined by a positive drawing radius or provided with an insert that has a thermal conductivity that is at least 10 W / (mx K) lower than the thermal conductivity of the section of the die adjacent to the drawing edge area, which comes into contact with the workpiece during hot forming and press hardening.
  • the surface of the material applied in the drawing edge area or the arranged insert part facing the workpiece should have a transverse dimension extending over the drawing edge that is in the range of 1.6 to 10 times the positive drawing radius of the die. This is intended to improve the flow properties of workpieces made of sheet steel during hot forming and thus considerably reduce the risk of cracks occurring during hot forming of workpieces made of sheet steel, preferably galvanized steel blanks. With such a tool, however, microcracks of the second type cannot be avoided.
  • a tool for a press hardening tool is known, the shaping surface of the tool being microstructured in some areas by two micro-depressions made in the mold surface.
  • the effective contact area for the deformation of a blank between the mold surface with a blank on the Area portions located between the depressions are limited to four. This is intended to reduce friction.
  • a method and a device for producing a partially hardened molded part comprising the following steps: heating a semifinished product to a hardening temperature, hot forming of the heated semifinished product in a combined hot forging cutting device to form a three-dimensional molded part, trimming of the molded part in the combined Hot forming cutting device and partial press hardening of the molded part.
  • molded parts can be hot formed, trimmed and partially hardened in one step.
  • a post-processing a separate trimming process in a separate trimming tool can be omitted. In this way, undesired changes in terms of shape and structure of the molded parts can be minimized.
  • the object of the invention is to avoid microcracks of the second type in directly hot-formed, ie press-hardened, components.
  • VME vapor metal embrittlement
  • second order microcracks are to be avoided, with the largest possible working window in terms of material and temperature being retained and the implementation being inexpensive. With at least the same throughput time, there should be no increase in cycle time or throughput reduction in component production.
  • the zinc vapor occurring in the tensile stressed areas is either discharged or blown off by gas flows (convection) or is sufficiently diluted.
  • zinc can be rapidly converted into a stable compound such as zinc oxide or ZnJ2 through the admission of fluids.
  • the steel can also be protected against second-order microcracks by producing a protective layer such as an oxide layer by supplying a fluid. All the measures described have shown that microcracks are significantly reduced.
  • gaseous oxygen-containing fluids such as air or oxygen, for example, since these cannot contaminate the tool excessively or also any undesired massive cooling effect such as by ex.
  • Water can be more easily regulated by controlling the temperature of the fluid.
  • the avoidance of the second-order microcracks is ensured by the fact that in the area of the positive radii, i.e. in the area of the drawing edges of the die and / or the male part in the drawing direction, there is a recess adjacent to the drawing edge or other contact areas outside the positive radii / drawing edge, which is dimensioned so that on the one hand the deep drawing is not impaired or the board or the workpiece becomes wavy and on the other hand is dimensioned so that the heat flow, which is necessary for the hardening, is also not significantly impaired.
  • the clearances are dimensioned in such a way that they represent a reservoir for oxygen in such a way that sufficient oxygen reaches the pulling plate or the material to supply the released zinc phases or zinc iron phases with oxygen for oxidation.
  • the recess acts as a fluid reservoir in particular for oxygen, but this reservoir can also contain other fluids, such as water or nitrogen. If these are filled with a noble gas or, in particular, are also continuously flushed with it, they do not act through oxidation but rather through dilution or removal of the zinc vapor that occurs.
  • the recesses on the tool side are advantageously continuously fed with fluids containing oxygen during the forming process, for example through suitable access openings, whereby a flow cushion can advantageously be formed.
  • the tool cavity can be rinsed with a fluid, in particular an oxygen-containing fluid, which is then present in the recesses.
  • an oxygen-containing fluid are air as well as water i.e. these can be supplied in liquid or gaseous form.
  • the drawing 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.
  • a recess 5 according to the invention is arranged in a surface 4 following the drawing edge 2 in the drawing direction.
  • the recess 5 is dimensioned in such a way that the remaining thickness of the drawing edge 2 between the surface 3 and the recess 5 approximately corresponds to its radius in order to offer a sufficient support effect for the material to be drawn.
  • the recess 5 has a height between the drawing edge 2 and the surface 4 which is approximately 25 to 35 mm, with a depth of 5 to 9 mm.
  • Figure 2 is instead of a larger recess 5 adjacent to Drawing edge 2, and leaving this in the thickness already described, introduced a groove 6 into surface 4.
  • the groove 6 has a height between the surface 4 and the drawing edge 2, which is approximately 8 to 12 mm, with a depth of 5 to 9 mm.
  • the grooves 7 or slots 7 instead of a continuous recess 5 in the area of the wall 4 adjacent to the drawing edge 2, there is a plurality of grooves 7 running in the drawing direction, the grooves 7 or slots 7, for example, having a slot width of 4 to 8 mm and a slot spacing of 7 up to 11 mm, so that the remaining webs have a width of 1 to 5 mm.
  • the grooves 7 or slots 7 here also have a depth of 5 to 9 mm.
  • the recesses 5, the groove 6, the slots 7 can be on the rear side, i.e. be supplied with an oxygen-containing fluid from the tool, by means of feeds and correspondingly drilled lines, in order, if necessary, to further increase the oxygen partial pressure in the area of the recesses 5, grooves 6 and slots 7.
  • the mold cavity can also be flushed with an oxygen-containing fluid so that there is always enough oxygen reservoir in the clearances 5, grooves 6 and slots 7 is.
  • the 20MnB8, 22MnB8 and other manganese-boron steels are also used - especially in the direct press hardening process.
  • the remainder is iron and impurities caused by the melting process, the alloy elements boron, manganese, carbon and optionally chromium and molybdenum being used as conversion retarders in such steels.
  • the remainder is iron and impurities from the melting process.
  • the remainder is iron and impurities from the melting process.

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Description

  • 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 herausragenden mechanischen Eigenschaften eine Möglichkeit besteht, eine besonders stabile Fahrgastzelle zu erstellen, ohne dass Bauteile 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 Mangankohlenstoffstähle 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 Stahlwerkstoff 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 Geschwindigkeit 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 Verfahrenswege üblich.
  • Beim sogenannten Formhärten wird eine Stahlblechplatine aus einem Stahlband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt und anschließend in einem üblichen, beispielsweise fünfstufigen Tiefziehprozess zum fertigen Bauteil tiefgezogen. Dieses fertige Bauteil wird hierbei etwas kleiner dimensioniert, um eine nachfolgende Wärmedehnung beim Austenitisieren zu kompensieren.
  • 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 Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit.
  • Der weitere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten, bei dem eine Platine aus einem Stahlblechband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt wird, anschließend die Platine austenitisiert wird und die heiße Platine bei einer Temperatur unter 782°C in einem vorzugsweise einstufigen Schritt umgeformt und gleichzeitig mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt wird.
  • In beiden Fällen können mit metallischen Korrosionsschutzschichten 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 Materialnutzungsgrad erreicht werden kann. Jedoch ist die erreichbare Bauteilkomplexität vor allem beim einstufigen Umformprozess 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 Mikrorissen zweiter Ordnung unterschieden.
  • Mikrorisse erster Ordnung werden auf das sogenannte Liquid Metal Embrittlement zurückgeführt. Man vermutet, dass flüssige Zinkphasen während des Umformens, d.h. während Zugspannungen auf das Material aufgebracht werden, mit noch bestehenden Austenitphasen in Wechselwirkung geraten, wodurch Mikrorisse mit Tiefen bis zu einigen 100 um im Material erzeugt werden.
  • Der Anmelderin ist es gelungen, durch aktives oder passives Kühlen des Materials zwischen der Entnahme aus dem Erhitzungsofen und vor dem Start des Warmumformvorgangs auf Temperaturen, 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 Warmumformung trotz Vorkühlung nicht beherrschbar und entstehen auch bei Warmumformtemperaturen unter 600°C. Die Risstiefen hierbei betragen hierbei bis zu einigen 10 um.
  • Weder Mikrorisse erster Ordnung noch Mikrorisse zweiter Ordnung werden von den Anwendern akzeptiert, da dies eine mögliche Schadensquelle darstellt.
  • Mit den bisherigen Methoden kann eine Produktion von Bauteilen ohne Mikrorisse zweiter Ordnung noch nicht gesichert dargestellt werden.
  • Aus der DE 10 2011 055 643 A1 ist ein Verfahren und Umformwerkzeug zum Warmumformpresshärten von Werkstücken aus Stahlblech 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 Ziehkantenbereich benachbarten Abschnitts der Matrize, der beim Warmumformen und Presshärten des Werkstücks mit demselben in Kontakt gelangt. Die dem Werkstück zugewandte Oberfläche des im Ziehkantenbereich aufgetragenen Materials oder des angeordneten Einsatzteiles 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, erheblich reduziert werden. Mit einem solchen Werkzeug können jedoch Mikrorisse zweiter Art nicht vermieden werden.
  • Aus der DE 10 2011 052 773 A1 ist ein Werkzeug für ein Presshärtewerkzeug bekannt, wobei die formgebende Oberfläche des Werkzeugs bereichsweise durch in die Formoberfläche zwei eingebrachte 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 Endbeschnitt des Formteils und gegebenenfalls erforderliche Ausstanzungen 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 Formhärtewerkzeug eine Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das zumindest teilbereichsweise Anlegen und Pressen des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird, wobei das Bauteil vom Formhärtewerkzeug im Bereich 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.
  • Aus der EP 3 072 980 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines partiell gehärteten Formteils bekannt, wobei die Herstellung die folgenden Schritte umfasst: Erwärmen eines Halbzeugs auf eine Härtetemperatur, Warmumformen des erwärmten Halbzeugs in einer kombinierten Warmumform-Schneidevorrichtung zu einem dreidimensionalen Formteil, Beschneiden des Formteils in der kombinierten Warmumform-Schneide-Vorrichtung und partielles Presshärten des Formteils. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lassen sich Formteile in einem Schritt warmumformen, beschneiden und partiell härten. Eine Nachbearbeitung durch einen gesonderten Beschneidevorgang in einem separaten Beschneidewerkzeug kann entfallen. Hierdurch können ungewünschte Veränderungen hinsichtlich Form und Gefüge der Formteile minimiert werden.
  • 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 Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Es ist darüber hinaus eine Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Stahlblechplatinen im Presshärteverfahren warmumgeformt und gehärtet werden können und bei dem Mikrorisse vermieden werden.
  • Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass Mikrorisse zweiter Art entstehen, wenn in zugbelasteten Bereichen der auftretende Zinkdampf in hinreichender Konzentration zum Stahl gelangt, sogenanntes Vapour Metal Embrittlement (VME). Zinkdampf entsteht durch Aufreißen der Zinkeisenschicht bei der Dehnung während des Umformvorgangs. Hinreichende Konzentration tritt insbesondere in jenen Bereichen auf in welchen direkter Kontakt des Blechs mit dem Werkzeug vorherrscht oder ein sehr geringer Abstand des Blechs zum Werkzeug vorliegt. Ein sehr geringer Abstand 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 kostengünstig ist. Bei mindestens gleicher Durchlaufzeit soll keine Taktzeiterhöhung bzw. Durchsatzreduktion bei der Bauteilherstellung resultieren.
  • Erfindungsgemäß wird bei den zugbelasteten Bereichen (Dehnungsrandfaser) der auftretende Zinkdampf entweder durch Gasströme (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 jeweils gezeigt, dass Mikrorisse deutlich reduziert werden.
  • Erfindungsgemäß sind gasförmige sauerstoffhaltige Fluide wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, da diese das Werkzeug nicht über Gebühr verunreinigen können bzw. auch eine allfällige 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 Patrize 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 dimensioniert ist, dass der Wärmeabfluss, der für die Härtung notwendig ist, ebenfalls nicht maßgeblich beeinträchtigt wird.
  • Die Freisparungen sind aber so bemessen, dass sie ein Reservoir für Sauerstoff derart darstellen, dass ausreichend Sauerstoff 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 Sauerstoff, dieses Reservoir kann aber auch andere Fluide enthalten, wie Wasser oder auch Stickstoff. Falls diese mit einem Edelgas gefüllt sind oder auch insbesondere kontinuierlich damit gespült werden, wirken diese nicht durch Oxidation sondern durch Verdünnung bzw. Abführung des auftretenden Zinkdampfes.
  • Erfindungsgemäß werden die Freisparungen werkzeugseitig vorteilhaft während der Umformung kontinuierlich mit Sauerstoff enthaltenden Fluiden gespeist, zum Beispiel durch geeignete Zutrittsöffnungen, wobei sich vorteilhaft ein Strömungskissen 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 vorhanden ist. Beispiele für ein sauerstoffhaltiges Fluid ist Luft als auch Wasser d.h. diese können flüssig als auch gasförmig 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 erläutert. Es zeigen dabei:
    • Figur 1 den Werkzeugbereich, benachbart zu einer Ziehkante mit einer erfindungsgemäßen Freistellung;
    • Figur 2 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freistellung;
    • Figur 3 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer erfindungsgemäßen 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 werkstückseitige Flächen 3, 4, welche sich im Bereich einer Ziehkante 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 verbleibende Dicke der Ziehkante 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.
  • 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 definieren.
  • Die Freisparung 5 besitzt zwischen der Ziehkante 2 und der Fläche 4 eine Höhe, die in etwa 25 bis 35 mm beträgt, bei einer 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 belassend, in die Fläche 4 eine Nut 6 eingebracht. Die Nut 6 besitzt 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 durchgehenden Freisparung 5 im Bereich der Wandung 4 benachbart zur Ziehkante 2 eine Mehrzahl von in Ziehrichtung verlaufenden Nuten 7 vorhanden, wobei die Nuten 7 bzw. Schlitze 7 beispielsweise eine Schlitzbreite von 4 bis 8 mm und einen Schlitzabstand von 7 bis 11 mm besitzen, so dass die verbleibenden Stege 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 vorgenannten 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 wirkungsvoll 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 versorgt werden, um gegebenenfalls den Sauerstoffpartialdruck im Bereich der Freisparungen 5, Nuten 6 und Schlitze 7 noch zu erhöhen.
  • Um bei kontinuierlichen Prozessen den Sauerstoffgehalt innerhalb 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 genug Sauerstoffreservoir in den Freistellungen 5, Nuten 6 und Schlitzen 7 gegeben ist.
  • Neben dem 22MnB5 finden auch - vor allem beim direkten Presshärteprozess - der 20MnB8, 22MnB8 und andere Mangan-Bor-Stähle Anwendung.
  • Für die Erfindung sind somit Stähle dieser Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
    C Si Mn P S Al Cr Ti B N
    [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]
    0,2 0,1 2,0 0,006 0,00 0,05 0,0 0,03 0,003 0,004
    0 8 1 2 1 4 3 2 0 1
  • 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 Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
    Kohlenstoff (C) 0,08-0,6
    Mangan (Mn) 0,8-3,0
    Aluminium (Al) 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 (Al) 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 (8)

  1. Verfahren zum Presshärten von Stahlblechbauteilen, wobei einem Stahlblechband aus einer härtbaren Stahllegierung eine Platine abgetrennt 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 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 wobei Freisparungen von der Formwerkzeugseite her mit Fluiden oder Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Fluiden gespeist wird.
  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 Freisparung 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 bei den Freisparungen abgesaugt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffhaltig Fluid kontinuierlich zugeführt wird.
  6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Formwerkzeughälften, wobei die zwei Formwerkzeughälften eine Platine tiefziehend zusammenwirken und aufeinander zufahrbar und auseinanderfahrbar ausgebildet sind, wobei entsprechend einer gewünschten Umformkontur zumindest ein positiver Radius (1) oder ein Ziehkantenbereich (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 wobei die Freisparungen (5), die Nuten (6) oder die Schlitz (7) rückseitig, d.h. vom Werkzeug her, mittels Zuführungen und entsprechend gebohrter Leitungen mit einem sauerstoffhaltigen Fluid versorgbar sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Freisparung (5) so dimensioniert ist, dass die verbleibende Dicke der Ziehkante (2) zwischen einer die Ziehkante (2) begrenzenden Fläche und der Freisparung (5) in etwa ihrem Radius entspricht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, 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 Ziehrichtung 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 besitzen, so dass die verbleibenden Stege eine Breite von 1 bis 5 mm besitzen.
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