WO2008098910A1 - Method for the production of components by superplastically deforming a heated sheet steel part - Google Patents

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WO2008098910A1
WO2008098910A1 PCT/EP2008/051632 EP2008051632W WO2008098910A1 WO 2008098910 A1 WO2008098910 A1 WO 2008098910A1 EP 2008051632 W EP2008051632 W EP 2008051632W WO 2008098910 A1 WO2008098910 A1 WO 2008098910A1
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steel
deformation
steel sheet
heated
sheet part
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PCT/EP2008/051632
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Harald Hofmann
Andreas Offergeld
Sascha Sikora
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Thyssenkrupp Steel Ag
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    • C21D2201/05—Grain orientation

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component by deforming a tempered steel sheet part.
  • Modern steels are basically able to meet these requirements.
  • a wide range of steel grades is available whose properties are adapted to the tasks in practice.
  • sheets of these steels in a manner known per se, which are then deformed into the respective component, for example, molded parts for large-scale production can be produced Body and support structures of vehicles are produced inexpensively.
  • Deformation temperatures that are typically above the Ac 3 transformation temperature.
  • the hot forming can be combined with a hardening process. By means of such thermoforming, elaborately designed components of extreme strength can be produced.
  • JP 2006104526 A An example of this procedure is given in JP 2006104526 A.
  • sheets are made from a boron-alloyed steel, first, then to an above the Ac 3 temperature, typically in the range of 850 - 950 0 C are preheated, lying temperature.
  • the subsequent cooling in the pressing tool starting from this temperature range, a martensitic structure is produced in the component which is press-formed from the respective sheet metal blank and ensures the desired high strengths.
  • a favorable feature of this combination of hot working and hardening is that sheet metal parts heated to more than the Ac 3 temperature can be formed at significantly reduced forming forces and achieve a particularly high level of strength after shaping. Practical experience shows, however, that the possibilities of shaping these components are often still so limited due to the process that they do not meet future requirements.
  • a maximum deformability of metals is when they are in the so-called "superplastic" state. In this state, which can also be set with steels, metallic bodies can be stretched many times their initial length without causing breakage. In the article published in MAX PLANCK RESEARCH, 3/2004, pp.
  • the object of the invention was to provide a method that allows the production of components made of steel sheets with minimal limitation of the shaping and procedurally reduced effort.
  • a sheet steel part is processed, which is in the solidified state with a structure whose grains are predominantly a directed, d. H. have a shape deviating from the spherical shape with pronounced length orientation and are more than 10 ⁇ m in the rolling direction.
  • the sheet steel part thus obtained is heated for its superplastic deformation according to the invention to a temperature at which in the steel sheet of the Recrystallization at least begins or is already running. According to the invention, the deformation of the thus tempered sheet is then terminated within a period of time within which the unstable microstructure is present, that is, the recrystallization of the steel has not yet been completed.
  • the invention is based on the recognition that steels show a superplastic behavior in the limited period in which they have an unstable structure as a result of incipient or expiring recrystallization. This allows to deform them far beyond the extent to which deformation at lower or higher temperatures is possible without material breakage.
  • the time window in which the superplastic behavior used according to the invention occurs is sufficiently long in conventional steels already available in practice in order to be able to perform a deformation.
  • the invention thus provides a possibility to produce components with complex, complicated shape, by conventional cold forming of steels of the corresponding Property classes can not be represented.
  • the more complex geometries of components made of high strength steels made possible by the invention allow significant weight savings in the automotive industry, particularly in the automotive industry, which make an important contribution to reducing energy consumption and exhaust emissions.
  • the freedom of design opened up by the invention makes it possible to integrate a multitude of functions even in components produced from high-strength steels, so that overall only a smaller number of production steps is required for the production of the respective component and, consequently, a significant reduction in the value Manufacturing costs can be achieved.
  • the steel sheet part processed according to the invention can have a structure which can be significantly coarser and more anisotropic than the structure of such steel sheets which are provided in the prior art for the use of structural superplasticity.
  • the method according to the invention allows the steel sheet parts to be further processed directly in the state solidified after cold rolling. An energy-intensive final annealing of the Kaltband.es is not required. Practical experiments have shown in this context that the inventively used "instability superplasticity" even then occurs safely even if the average, measured in the longitudinal direction of the grains grain size of the grains of the structure of the sheet steel part is at least 20 ⁇ ra.
  • the grains of a steel sheet processed according to the invention have an elongate shape, as set, for example, by the forming forces exerted during cold rolling of a steel sheet.
  • the grain size of the structure according to the invention which amounts to more than 10 ⁇ m in the rolling direction of a steel sheet part processed according to the invention, is determined in a customary manner.
  • Suitable for this purpose is any experimental apparatus which allows the sample to be heated sufficiently quickly and precisely to the required temperature and to exert tensile forces in order to determine the extensibility of the material under investigation at the respectively set temperature.
  • Such test devices are currently available, for example, under the name “Gleeble system” from Dynamic Systems Inc., Poestenkill, NY, USA.
  • An essential advantage of the invention is that the respective steel sheet part is fed in the solidified state to the deformation according to the invention.
  • the parameters of the deformation can be easily chosen so that the component is in a recrystallized state at the end of the deformation.
  • a direct cooling carried out in the tool to a temperature below the recrystallization temperature also comes into consideration, so that a further warm forging step can follow.
  • the method according to the invention is suitable for heating the sheet steel part as a flat blank cut from a steel strip in the hard-rolling state to the deformation temperature set according to the invention and then deforming it in accordance with the invention.
  • the sheet steel part is, for example, separated from a steel strip previously obtained by cold rolling and fed without further cold deformation of the inventive transformation.
  • This procedure saves the otherwise required for the processing of cold strip annealing.
  • a particular advantage of the invention in this context is that it allows, according to the superplastic deformation according to the invention, a renewed cold deformation of the component obtained after superplastic forming.
  • the component brought back into a work-hardened state in this way can then be deformed again in accordance with the invention.
  • a heating device for heating the steel sheet part
  • the rapid, homogeneous heating of the sheet steel part allows.
  • particularly suitable devices heat the steel sheet with the help electric current, which is either passed directly through the respective sheet metal part (conductive heating) or generates an electromagnetic field, which in turn induces an electric current in the sheet steel part ⁇ inductive heating).
  • the electrical resistance caused by the steel component itself contrary to the directly induced or indirectly induced current, causes it to be heated to the desired temperature.
  • the advantageous for carrying out the invention high deformation rates can be achieved by means of commercially available hydraulic or mechanical presses.
  • these presses may indeed be suitable (accumulator presses, eccentric presses) to accomplish the desired high forming speeds.
  • the deformation forces required for the deformation according to the invention compared to a conventionally carried out deformation are significantly reduced, so that the time required for the generation of the forming force and thus the cost of purchase and operation of the presses is minimized accordingly.
  • the invention allows, for example, not only to process sheet metal parts made of high-strength and high-strength steels, but also those which consist of soft steels, tempered steels or multiphase steels.
  • components produced according to the invention have an optimized combination of strength and ductility. This makes them particularly suitable for the production of such components, which as crashrelevante components on the one hand ensure sufficient rigidity, but at the same time should be able to safely convert, for example, in an accident occurring kinetic energy in deformation energy.
  • FIG. 1 shows a sample rod according to the invention carried out superplastic expansion by 30 mm.
  • FIG. 2 shows a second sample rod after a superplastic expansion of 30 mm performed according to the invention
  • FIG. 3 shows a third sample rod after an elongation of 30 mm carried out in the warm, recrystallized state
  • FIGS. 1-3 shows the geometry of the sample rods shown in FIGS. 1-3 in the undeformed state
  • Diag. 1 the maximum achievable tensile strength of tensile specimens made of a steel A are prepared, applied over the respectively set temperature;
  • Diag. 2 the maximum achievable in tensile tests elongation of sample rods, which are made of a steel B, applied over the set temperature in each case;
  • Diag. 3 the maximum achievable in tensile tests elongation of sample rods, which are made of a steel C, applied over the set temperature.
  • the sample shown in Fig. 1 has an optimal uniform elongation due to the superplastic deformation portion.
  • the conventional sample is, as shown in Fig. 3, broken after the formation of a strong single constriction in its central part before the elongation of 30 mm has been reached.
  • samples were produced from three commercially available, cold-rolled steel sheets A, B, C, which had the shape shown in FIG. 4. With these samples tensile tests were carried out in a Gleehle apparatus in which the samples were clamped in a drawing device and heated in the clamped state at heating rates of more than 500 K / s to the respective deformation temperature TW.
  • the composition of steels A, B, C is shown in Table 1.
  • the steel A marketed under the name H300B has a high bake hardening potential.
  • Steel B is a microalloyed steel available under the designation H320LA.
  • Steel C is an IF steel and is sold under the name DX53D.
  • the texture grains of each of the samples obtained from the steels A, B, C had a pronounced elongated shape due to the foregoing cold rolling.
  • the respective "mean grain size" of the grains measured in the rolling direction is given in Table 2 for the samples consisting of steels A, B and C.
  • the optimal temperature window in the range from 750 ° C. to 850 ° C. and the optimum time window used for the heating and forming in the range from 2 to ⁇ 20 s for a deformation according to the invention is optimum.
  • the samples obtained from the hard-rolled micro-alloyed steel B are at temperatures of 700 - 880 0 C was tested.
  • a temperature window 800-850 0 C a significant increase in the maximum achievable stretching .DELTA.L up to twice the attainable elongation in .DELTA.L recrystallized structural state (hot tensile test).
  • the results obtained for the 2 s holding time are in Diag. 2 illustrated by white filled circles.

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Abstract

According to the invention, a sheet steel part is heated in the solid state, in which the part has a structure comprising grains that predominantly have an oriented, non-spherical shape and an average grain size of > 10 μm, to a deformation temperature (TW) at which the sheet metal part has an unstable, superplastic microstructure because of the starting or progressing recrystallization, and the sheet steel part that has been heated to the deformation temperature (TW) is deformed essentially during the recrystallization process. Preferably, the deformation temperature ranges from 700-950°C, the heating and deformation process is completed after 1-120 s, and the rate of expansion is 10-2 - 101 1/s.

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON BAUTEILEN DURCH SUPERPLASTISCHES VERFORMEN EINES METHOD FOR PRODUCING COMPONENTS BY SUPERPLASTIC FORMING A
TEMPERIERTEN STAHLBLECHTEILSTEMPERED STEEL PLATE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils durch Verformen eines temperierten Stahlblechteils.The invention relates to a method for producing a component by deforming a tempered steel sheet part.
Gerade im Fahrzeugbau, im Bereich des Transportwesens oder auch im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau sowie der Medizintechnik besteht der Wunsch nach Werkstoffen, die bei minimiertem Gewicht maximale Festigkeiten bieten. Gleichzeitig sollen diese Werkstoffe gut verformbar sein, um aus ihnen auf einfache Weise auch komplex geformte Bauteile herstellen zu können. Besonders hohe Anforderungen werden an Werkstoffe der in Rede stehenden Art im Bereich des Automobilbaus gestellt, wo die Minimierung des Energieverbrauchs durch Gewichtsreduzierung und Leistungsoptimierung zentrale Aufgabenstellung ist.Especially in the automotive industry, in the field of transportation or in general mechanical and plant engineering and medical technology, there is a desire for materials that offer maximum strength with minimized weight. At the same time, these materials should be readily deformable in order to be able to produce complex components from them in a simple manner. Particularly high demands are placed on materials of the type in question in the field of automotive engineering, where the minimization of energy consumption by reducing weight and optimizing performance is a central task.
Moderne Stähle sind grundsätzlich in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen. So steht ein großes Spektrum von Stahlsorten zur Verfügung, deren Eigenschaften an die sich in der Praxis stellenden Aufgaben angepasst sind. Indem aus diesen Stählen Bleche in an sich bekannter Weise produziert werden, die anschließend zu dem jeweiligen Bauteil verformt werden, können im großtechnischen Umfang beispielsweise Formteile für Karosserie und Tragstrukturen von Fahrzeugen kostengünstig hergestellt werden.Modern steels are basically able to meet these requirements. Thus, a wide range of steel grades is available whose properties are adapted to the tasks in practice. By producing sheets of these steels in a manner known per se, which are then deformed into the respective component, for example, molded parts for large-scale production can be produced Body and support structures of vehicles are produced inexpensively.
Allerdings erweist sich gerade die Verarbeitung von höherfesten Stählen dann als aufwändig, wenn aus ihnen komplex geformte Blechbauteile erzeugt werden sollen. Der Verformung von aus diesen Stählen erzeugten Blechen steht ihre große Festigkeit und in der Regel geringe Duktilität gegenüber. Diese Eigenschaften machen hohe Umformkräfte bzw. aufwändige Wärmebehandlungs - und Verformungsschritte erforderlich, um aus dem jeweiligen Ausgangsmaterial die gewünschte Form herzustellen.However, the processing of higher-strength steels proves to be costly if they are to be used to produce complex-shaped sheet-metal components. The deformation of sheets produced from these steels is contrasted with their high strength and usually low ductility. These properties require high forming forces or complex heat treatment and deformation steps in order to produce the desired shape from the respective starting material.
Der Vorteil einer Warmverformung von Stahlblechen liegt darin, dass sich mit ihr trotz hoher ümformgrade bei vergleichbar geringen Umformkräften auf einfache Weise auch kompliziertere Formgebungen verwirklichen lassen. Auf diese Weise können die immer höheren Anforderungen erfüllt werden, die insbesondere bei der Verarbeitung von hochfesten Stahlwerkstoffen an das Umformvermögen einerseits und die Festigkeit andererseits gestellt werden.The advantage of hot deformation of steel sheets lies in the fact that they can be used in a simple way to realize even more complicated shapes despite high degrees of deformation and with comparatively low forming forces. In this way, the ever higher demands can be met, which are made especially in the processing of high-strength steel materials on the forming capacity on the one hand and the strength on the other.
Um den mit der Erwärmung, Verformung und anschließenden Abkühlung bei konventioneller Warmverformung verbundenen Aufwand zu minimieren, ist in der EP 1 403 388 Al vorgeschlagen worden, aus hochfesten Stählen hergestellte Blechzuschnitte bei einer Verformungstemperatur zu verformen, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur eines kaltverfestigten Stahles liegt. Nach dieser in der Fachsprache auch "Halbwarmumformung" genannten Verformung werden die erhaltenen Bauteile an Luft abgekühlt. Das erhaltene Produkt weist bei minimierten inneren Spannungen trotz des Verzichts auf eine intensive Abkühlung nach der Verformung hohe Festigkeiten auf.In order to minimize the expense associated with heating, deformation and subsequent cooling in conventional hot working, it has been proposed in EP 1 403 388 A1 to deform sheet metal blanks made from high strength steels at a deformation temperature which is below the recrystallization temperature of a work-hardened steel. After this in technical language also called "warm forging" deformation the resulting components are cooled in air. The product obtained has minimized internal Tensions despite the lack of intensive cooling after deformation high strength on.
Konventionelle Verfahren zur Warmumformung sehen vor, die jeweils zu verarbeitenden Stahlbleche beiConventional hot forming processes provide for each of the steel sheets to be processed
Verformungstemperaturen zu verformen, die typischerweise oberhalb der Ac3 -Umwandlungstemperatur liegen. Dabei kann die Warmumformung mit einem Härtevorgang kombiniert werden. Durch ein solches Warmformhärten lassen sich aufwändig gestaltete Bauteile von extremer Festigkeit erzeugen.Deformation temperatures that are typically above the Ac 3 transformation temperature. The hot forming can be combined with a hardening process. By means of such thermoforming, elaborately designed components of extreme strength can be produced.
Ein Beispiel für diese Vorgehensweise ist in der JP 2006104526 A gegeben. Gemäß diesem bekannten Verfahren werden aus einem borlegierten Stahl zunächst Bleche gefertigt, die dann auf eine oberhalb der Ac3-Temperatur, typischerweise im Bereich von 850 - 950 0C, liegende Temperatur vorgewärmt werden. Bei der anschließend im Presswerkzeug erfolgenden, von diesem Temperaturbereich ausgehenden schnellen Abkühlung bildet sich im aus dem jeweiligen Blechzuschnitt pressgeformten Bauteil ein die angestrebten hohen Festigkeiten gewährleistendes martensitisch.es Gefüge.An example of this procedure is given in JP 2006104526 A. According to this known process, sheets are made from a boron-alloyed steel, first, then to an above the Ac 3 temperature, typically in the range of 850 - 950 0 C are preheated, lying temperature. In the subsequent cooling in the pressing tool, starting from this temperature range, a martensitic structure is produced in the component which is press-formed from the respective sheet metal blank and ensures the desired high strengths.
Günstig wirkt sich bei dieser Kombination aus Warmverformung und Härtung aus, dass sich die auf mehr als die Ac3 -Temperatur erwärmten Blechteile bei deutlich verminderten Umformkräften umformen lassen und nach der Formgebung ein besonders hohes Festigkeitsniveau erreichen. Praktische Erfahrungen zeigen jedoch, dass die Möglichkeiten der Formgebung dieser Bauteile verfahrensbedingt häufig immer noch so beschränkt sind, dass sie zukünftigen Anforderungen nicht gerecht werden. Eine maximale Verformbarkeit von Metallen liegt vor, wenn sie sich im so genannten "superplastischen" Zustand befinden. In diesem auch bei Stählen einstellbaren Zustand lassen sich metallische Körper um ein Vielfaches ihrer Ausgangslänge dehnen, ohne dass es zum Bruch kommt . In dem in MAX PLANCK FORSCHUNG, 3/2004, Seiten 37 - 41, erschienenen Artikel "Ausgekochter Stahl für das Auto von morgen", Max Planck Institut für Ξisenhüttenforschung, Düsseldorf, ist darauf hingewiesen worden, dass sich unter bestimmten Bedingungen Stähle bis zu 1000 Prozent dehnen lassen, ohne zu brechen. Dabei ist unterstellt worden, dass die so genannte "strukturelle" Superplastizität auf sehr feine und gleichmäßige, d. h. möglichst perfekt kugelige, Körnchen, so genannte Kristallite, im Stahl zurückzuführen ist, die eine Korngröße von deutlich weniger als 10 μm haben und sich bei bestimmten Temperaturen und unter bestimmten Umformbedingungen im Gefüge bilden. Bei einer Dehnung sollen diese Kristalliten leicht aneinander vorbei gleiten und rotieren.A favorable feature of this combination of hot working and hardening is that sheet metal parts heated to more than the Ac 3 temperature can be formed at significantly reduced forming forces and achieve a particularly high level of strength after shaping. Practical experience shows, however, that the possibilities of shaping these components are often still so limited due to the process that they do not meet future requirements. A maximum deformability of metals is when they are in the so-called "superplastic" state. In this state, which can also be set with steels, metallic bodies can be stretched many times their initial length without causing breakage. In the article published in MAX PLANCK RESEARCH, 3/2004, pp. 37-41, "Dismantled steel for the car of tomorrow", Max Planck Institute for Ironworks Research, Dusseldorf, it has been pointed out that under certain conditions steels up to 1000 Let percent expand without breaking. It has been assumed that the so-called "structural" superplasticity is due to very fine and uniform, ie perfectly spherical, grains, so-called crystallites, in the steel, which have a grain size of significantly less than 10 microns and at certain temperatures and form under certain forming conditions in the structure. When stretched, these crystallites should easily slide past each other and rotate.
Entscheidende Bedeutung für diese Eigenschaft wird dabei den verschiedenen Gefügebestandteilen im Stahl zugemessen. Gemäß dem Artikel werden in geeigneter Weise zusammengesetzte superplastische Stähle beispielsweise bei nur etwa 700 - 800 0C verarbeitet und zu Bauteilen geformt. Die Verformungsgeschwindigkeiten sollen dabei geringer sein als die beim Schmieden üblicherweise angewendeten Verformungsgeschwindigkeiten .Crucial importance for this property is thereby attributed to the various structural constituents in the steel. 800 0 C processed and formed into building components - according to the item composite superplastic steels are suitably, for example, only about 700th The deformation rates should be less than the deformation rates commonly used in forging.
Entsprechende Informationen zur so genannten "strukturellen Superplastizität" finden sich in der gedruckten Ausgabe des anlässlich des am 29. April 1998 abgehaltenen Workshops 98 "Neue Stähle, Warmfeste Leichtbauwerkstoffe, Innovative Prozesstechnologien" von H. Hofmann gehaltenen Vortrags "Hochfeste Superplastische Stähle (UHC-, UHB- und Duplexstähle} " .Relevant information on the so-called "structural superplasticity" can be found in the printed edition of the on 29 April 1998 held workshops 98 "New Steels, Heat Resistant Lightweight Materials, Innovative Process Technologies" by H. Hofmann Lecture "High Strength Superplastic Steels (UHC, UHB and Duplex Steels)".
Gemeinsam ist der in den voranstehend genannten Dokumenten genutzten strukturellen Superplastizität , dass sie jeweils ein perfekt eingestelltes Gefüge mit ultrafein ausgebildeten Körnern erfordert. Um ein solches Gefüge herzustellen, ist eine aufwändige thermomechanische Behandlung des Ausgangstnaterials erforderlich, weil diese in der Regel nicht im für die Nutzung der Superplastizität benötigten Zustand vorliegt.Common to all of the structural superplasticity used in the above documents is that each requires a perfectly adjusted microstructure of ultrafine grains. In order to produce such a structure, a complex thermo-mechanical treatment of the starting material is required because it is generally not present in the required state for the use of superplasticity.
Die zur Herstellung eines strukurell-superplastischen Stahlblechs erforderlichen Arbeitsschritte sind in der DE 10 2005 027 258 Al am Beispiel eines UHC-Stahls beschrieben.The work steps required for producing a structurally superplastic steel sheet are described in DE 10 2005 027 258 A1 using the example of a UHC steel.
In der Fachwelt ist es darüber hinaus bekannt, dass superplastische Zustände von Metallen auch durch Erwärmung auf eine Temperatur hergestellt werden können, die um eine Umwandlungstemperatur pendelt, bei der es zu einer Phasenumwandlung kommt.It is also known in the art that superplastic states of metals can also be made by heating to a temperature that will oscillate around a transition temperature at which phase transformation occurs.
In der Praxis haben sich aufgrund der extremen Anforderungen, die an die Genauigkeit und die Auswahl der jeweils nutzbaren Legierungen gestellt werden, und der geringen Prozessgeschwindigkeit weder die legierungs- und verfahrenstechnisch bewirkte strukturelle Superplastizität noch die im Bereich derIn practice, due to the extreme demands placed on the accuracy and the selection of the respective usable alloys, and the low process speed, neither the structural plasticity caused by the alloying nor the process engineering nor in the area of the
Umwandlungstemperaturen eintretende Superplastizität als großtechnisch nutzbar erwiesen. So werden unter Ausnutzung der strukturellen Superplastizität zum Beispiel allenfalls im Sondermaschinenbau Bauteile gefertigt, bei denen der Herstellungsaufwand nur eine untergeordnete Rolle spielt. Die konkreten praktischen Anwendungen beschränken sich dabei in der Regel auf die Verarbeitung von Al-, Ti- und Ni -basierten Legierungen (US 3,519,503) oder bestimmte, in ihrer Zusammensetzung eng begrenzte Stähle (DE 10 2005 027 258 AI} .Conversion temperatures occurring superplasticity proved to be industrially usable. So be under Utilization of structural superplasticity, for example, at best in special machine construction components manufactured in which the production cost plays only a minor role. The concrete practical applications are usually limited to the processing of Al, Ti and Ni-based alloys (US Pat. No. 3,519,503) or certain steels of limited composition (DE 10 2005 027 258 A1).
Technische Anwendungen, die die im Bereich der Umwandlungstemperaturen aufgrund von Phasenumwandlungen eintretende Superplastizität nutzen, sind für die Verarbeitung von Stählen nicht bekannt.Technical applications using the superplasticity occurring in the area of transition temperatures due to phase transformations are not known for the processing of steels.
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das bei minimierter Beschränkung der Formgebung und verfahrenstechnisch reduziertem Aufwand die Herstellung von Bauteilen aus Stahlblechen ermöglicht.Against this background, the object of the invention was to provide a method that allows the production of components made of steel sheets with minimal limitation of the shaping and procedurally reduced effort.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Lehre des Anspruchs 1 gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß der Erfindung wird ein Stahlblechteil verarbeitet, das im verfestigten Zustand mit einem Gefüge vorliegt, dessen Körner zum überwiegenden Teil eine gerichtete, d. h. von der Kugelform abweichende Form mit ausgeprägter Längenausrichtung besitzen und in Walzrichtung mehr als 10 μm groß sind.This object has been achieved by the teaching of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims. According to the invention, a sheet steel part is processed, which is in the solidified state with a structure whose grains are predominantly a directed, d. H. have a shape deviating from the spherical shape with pronounced length orientation and are more than 10 μm in the rolling direction.
Das derart beschaffene Stahlblechteil wird für seine superplastische erfindungsgemäße Verformung auf eine Temperatur erwärmt, bei der in dem Stahlblech der Rekristallisationsvorgang zumindest einsetzt oder bereits abläuft. Erfindungεgemäß wird die Verformung des derart temperierten Blechs dann in einem Zeitraum beendet, innerhalb dessen das instabile Mikrogefüge vorliegt, die Rekristallisation des Stahls also noch nicht abgeschlossen ist.The sheet steel part thus obtained is heated for its superplastic deformation according to the invention to a temperature at which in the steel sheet of the Recrystallization at least begins or is already running. According to the invention, the deformation of the thus tempered sheet is then terminated within a period of time within which the unstable microstructure is present, that is, the recrystallization of the steel has not yet been completed.
Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass Stähle in dem begrenzten Zeitraum, in dem sie in Folge der beginnenden oder ablaufenden Rekristallisation ein instabiles Gefüge besitzen, ein superplastisches Verhalten zeigen. Dieses erlaubt, sie weit über das Maß hinaus zu verformen, bis zu welchem bei niedrigeren oder höheren Temperaturen eine Verformung ohne Materialbruch möglich ist.The invention is based on the recognition that steels show a superplastic behavior in the limited period in which they have an unstable structure as a result of incipient or expiring recrystallization. This allows to deform them far beyond the extent to which deformation at lower or higher temperatures is possible without material breakage.
Überraschend hat sich in diesem Zusammenhang gezeigt, dass das Zeitfenster, in dem es zu dem erfindungsgemäß genutzten superplastischen Verhalten kommt, bei konventionellen, in der Praxis heute bereits zur Verfügung stehenden Stählen jeweils ausreichend lang ist, um eine Verformung vornehmen zu können.Surprisingly, it has been shown in this connection that the time window in which the superplastic behavior used according to the invention occurs is sufficiently long in conventional steels already available in practice in order to be able to perform a deformation.
Legierungstechnische Modifikationen der Stähle sind dazu nicht erforderlich, vielmehr konnte nachgewiesen werden, dass die auf dem Vorliegen einer zeitweise instabilen Mikrostruktur beruhende, durch die Erfindung genutzte Superplastizität bei einem breiten Spektrum von Stählen auftritt .Alloy engineering modifications of the steels are not required, but it could be demonstrated that the superplasticity, which is based on the existence of a temporarily unstable microstructure, used by the invention in a wide range of steels.
Mit der Erfindung steht somit eine Möglichkeit zur Verfügung, Bauteile mit aufwändiger, komplizierter Formgebung zu erzeugen, die durch konventionelle Kaltumformung aus Stählen der entsprechenden Festigkeitsklassen nicht darstellbar sind. Die mit der Erfindung ermöglichten komplexeren Geometrien von beispielsweise aus hochfesten Stählen hergestellten Bauteilen ermöglichen zum Beispiel in der Fahrzeugindustrie, insbesondere im Bereich des Automobilbaus, beträchtliche Gewichtseinsparungen, die einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Abgasemissionen leisten. Darüber hinaus erlaubt es die durch die Erfindung eröffnete Gestaltungsfreiheit , auch in aus hochfesten Stählen erzeugten Bauelementen eine Vielzahl von Funktionen zu integrieren, so dass insgesamt nur noch eine geringere Anzahl an Fertigungsschritten für die Herstellung des jeweiligen Bauteils erforderlich ist und damit einhergehend eine deutliche Senkung der Herstellkosten erzielt werden kann.The invention thus provides a possibility to produce components with complex, complicated shape, by conventional cold forming of steels of the corresponding Property classes can not be represented. For example, the more complex geometries of components made of high strength steels made possible by the invention allow significant weight savings in the automotive industry, particularly in the automotive industry, which make an important contribution to reducing energy consumption and exhaust emissions. In addition, the freedom of design opened up by the invention makes it possible to integrate a multitude of functions even in components produced from high-strength steels, so that overall only a smaller number of production steps is required for the production of the respective component and, consequently, a significant reduction in the value Manufacturing costs can be achieved.
Konventionelle superplastische Umformbarkeit ist an niedrige Verformungsgeschwindigkeiten gebunden. Mit der Erfindung ist es dagegen möglich, bei hohen Taktzelten und geringen Prozesskosten die Vorteile der Superplastizität auch in der Mittel- und Großserienfertigung zu nutzen.Conventional superplastic formability is tied to low strain rates. With the invention, however, it is possible to use at high takt tents and low process costs, the benefits of superplasticity in medium and large series production.
Von besonderer Bedeutung für die praktische Anwendbarkeit der Erfindung ist, dass das erfindungsgemäß verarbeitete Stahlblechteil ein Gefüge aufweisen kann, das deutlich gröber und anisotroper sein kann als das Gefüge von solchen Stahlblechen, die nach dem Stand der Technik für die Nutzung der strukturellen Superplastizität vorgesehen sind. Insbesondere erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, die Stahlblechteile im nach einem Kaltwalzen verfestigten Zustand unmittelbar weiterzuverarbeiteen. Eine energieintensive Schlussglühung des Kaltband.es ist nicht dazu erforderlich. Praktische Versuche haben in diesem Zusammenhang ergeben, dass die erfindungsgemäß genutzte "Instabilitäts-Superplastizität" auch dann noch sicher eintritt, wenn die mittlere, in Längsrichtung der Körner gemessene Korngröße der Körner des Gefüges des Stahlblechteils mindestens 20 μra beträgt.Of particular importance for the practical applicability of the invention is that the steel sheet part processed according to the invention can have a structure which can be significantly coarser and more anisotropic than the structure of such steel sheets which are provided in the prior art for the use of structural superplasticity. In particular, the method according to the invention allows the steel sheet parts to be further processed directly in the state solidified after cold rolling. An energy-intensive final annealing of the Kaltband.es is not required. Practical experiments have shown in this context that the inventively used "instability superplasticity" even then occurs safely even if the average, measured in the longitudinal direction of the grains grain size of the grains of the structure of the sheet steel part is at least 20 μra.
Typischerweise besitzen die Körner eines erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlblechs eine langgestreckte Form, wie sie sich beispielsweise durch die beim Kaltwalzen eines Stahlblechs ausgeübten Umformkräfte einstellt.Typically, the grains of a steel sheet processed according to the invention have an elongate shape, as set, for example, by the forming forces exerted during cold rolling of a steel sheet.
Die gemäß der Erfindung mehr als 10 μm betragende Korngröße des Gefüges in Walzrichtung eines erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlblechteils wird in üblicher Weise bestimmt.The grain size of the structure according to the invention, which amounts to more than 10 μm in the rolling direction of a steel sheet part processed according to the invention, is determined in a customary manner.
Voraussetzung für den Erfolg des erfindungsgeraäßen Verfahrens ist, dass die superplastische Verformung des Stahlblechteils abgeschlossen ist, bevor die in Folge des Rekristallisationsvorgangs eintretende Änderung des Gefüges beendet ist. Praktische Untersuchungen haben ergeben, dass das für in der Praxis heute üblicherweise eingesetzte Stähle in der Regel ausreichende Temperaturfenster, in dem der erfindungsgemäß genutzte Effekt, der am Beginn oder während einerThe prerequisite for the success of the process according to the invention is that the superplastic deformation of the sheet steel part is completed before the change in the structure resulting from the recrystallization process has ended. Practical investigations have shown that the usually used in practice today steels usually sufficient temperature window, in which the effect used in the invention, at the beginning or during a
Rekristallisation in Folge Instabilität des Mikrogefüges eintretenden "Instabilitäts" - Superplastizität auftritt, in einem von mehr als 700 0C bis 950 0C reichenden Temperaturbereich liegt. Besonders sicher tritt dieser Effekt dann ein, wenn die Verformungstemperatur 750 - 850 0C beträgt. Das Zeitfenster, innerhalb dessen die erfindungsgemäß genutzte "Instabilitäts" -Superplastizität vorliegt, beträgt dabei nach den Feststellungen der ErfinderRecrystallization due to instability of the microstructure occurring "instability" - superplasticity occurs, in a temperature ranging from more than 700 0 C to 950 0 C temperature range. This effect is particularly safe when the deformation temperature is 750-850 ° C. The time window within which the inventively used "instability" superplasticity is present, according to the findings of the inventors
1 - 120 s, insbesondere 2 - 25 s, so dass die erfindungsgemäße Materialerwärmung auf Umforratemperatur und die anschließende Verformung innerhalb dieses1 - 120 s, in particular 2 - 25 s, so that the material heating according to the invention at Umforratemperatur and the subsequent deformation within this
Zeitraums im Wesentlichen abgeschlossen sein sollten.Period should be substantially completed.
Die jeweils konkret gewählte, innerhalb dieser Temperaturspanne liegende Verformungstemperatur, bei der die erfindungsgemäße Verformung dann tatsächlich durchgeführt wird, und der Zeitraum, über den die Superplastizität in erfindungsgemäßer Weise genutzt werden kann, können auf Grundlage der hier gegebenen Informationen durch einfache Versuche ermittelt werden.The specific concretely chosen, within this temperature range lying deformation temperature at which the deformation according to the invention is then actually carried out, and the period over which the superplasticity can be used in accordance with the invention can be determined based on the information given here by simple experiments.
Dazu eignet sich jede Versuchsapparatur, die es erlaubt, die jeweils untersuchte Probe ausreichend schnell und präzise auf die erforderliche Temperatur zu erwärmen und dabei Zugkräfte auszuüben, um die Dehnbarkeit des untersuchten Werkstoffs bei der jeweils eingestellten Temperatur zu ermitteln. Solche Testeinrichtungen werden heute beispielsweise unter der Bezeichnung "Gleeble- System" von der Dynamic Systems Inc., Poestenkill, NY, USA, angeboten .Suitable for this purpose is any experimental apparatus which allows the sample to be heated sufficiently quickly and precisely to the required temperature and to exert tensile forces in order to determine the extensibility of the material under investigation at the respectively set temperature. Such test devices are currently available, for example, under the name "Gleeble system" from Dynamic Systems Inc., Poestenkill, NY, USA.
Ein auch im Hinblick auf die Kostenersparnis wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das jeweilige Stahlblechteil im verfestigten Zustand der erfindungsgemäßen Verformung zugeführt wird. Die Parameter der Verformung können dabei problemlos so gewählt werden, dass sich das Bauteil am Ende der Verformung in einem rekristallisierten Zustand befindet. So ist es beispielsweise denkbar, das zu verformende Stahlblechteil zunächst auf die erfindungsgemäß eingestellte Verforraungstemperatur zu bringen, dann innerhalb des dafür vorgesehenen Temperatur- und Zeitfensters zu dem Bauteil umzuformen und das erhaltene Bauteil anschließend im Formwerkzeug weiter über Rekristallisationstemperatur zu erwärmen und einen konventionellen Warmumformschritt durchzuführen. Alternativ kommt auch eine direkte im Werkzeug durchgeführte Abkühlung auf eine wieder unterhalb der Rekristallisationstemperatur liegende Temperatur in Betracht, so dass sich ein weiterer Halbwarmumformschritt anschließen kann. Ferner besteht die Möglichkeit, bereits im Aufwärmvorgang eine Umformung im halbwarmen, d.h. oberhalb der typischen Temperaturen der Kaltumformung, jedoch unterhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmten Zustand durchzuführen. In all diesen Fällen liegen im fertigen Produkt neben den durch die superplastische Verformung erzeugten Gefügeanteilen zusätzlich Anteile einer konventionellen Verformung vor.An essential advantage of the invention, also with regard to cost savings, is that the respective steel sheet part is fed in the solidified state to the deformation according to the invention. The parameters of the deformation can be easily chosen so that the component is in a recrystallized state at the end of the deformation. Thus, it is conceivable, for example, first to bring the steel sheet part to be deformed to the set Verforraungstemperatur, then transform within the designated temperature and time window to the component and then heat the resulting component in the mold further on recrystallization and perform a conventional hot forming step. Alternatively, a direct cooling carried out in the tool to a temperature below the recrystallization temperature also comes into consideration, so that a further warm forging step can follow. Furthermore, it is possible to carry out a transformation in the semi-warm state, ie, above the typical temperatures of cold working, but below the recrystallization temperature, already during the heating process. In all these cases, in addition to the microstructural fractions produced by the superplastic deformation, there are additional fractions of conventional deformation in the finished product.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren dazu, das Stahlblechteil als ebenen, von einem Stahlband abgeteilten Zuschnitt im walzharten Zustand auf die erfindungsgemäß eingestellte Verformungstemperatur zu erwärmen und dann in erfindungsgemäßer Weise zu verformen. Bei dieser Vorgehensweise wird das Stahlblechteil beispielsweise von einem zuvor durch Kaltwalzen erhaltenen Stahlband abgeteilt und ohne weitere Kaltverformung der erfindungsgemäßen Umformung zugeleitet. Diese Vorgehensweise erspart die für die Verarbeitung von Kaltband andernfalls erforderliche Schlussglühung . Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Stahlblech vor der erfindungsgemäßen Umformung in mindestens einem Arbeitsschritt kalt vorzuformen. Mach der Kaltverformung wird es dann im in Folge der Kaltverformung eingetretenen kaltverfestigten Zustand in erfindungsgemäßer Weise auf die Verformungstemperatur erwärmt und verformt. Eine Weichglühung des zuvor kaltverfestigten Materials ist dazu nicht erforderlich.In particular, the method according to the invention is suitable for heating the sheet steel part as a flat blank cut from a steel strip in the hard-rolling state to the deformation temperature set according to the invention and then deforming it in accordance with the invention. In this procedure, the sheet steel part is, for example, separated from a steel strip previously obtained by cold rolling and fed without further cold deformation of the inventive transformation. This procedure saves the otherwise required for the processing of cold strip annealing. Alternatively, however, it is also possible to cold-form the steel sheet in at least one working step prior to the forming according to the invention. Mach the cold deformation, it is then heated and deformed in accordance with the invention in accordance with the invention in the cold worked state resulting from the cold working to the deformation temperature. A soft annealing of the previously work hardened material is not required.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in diesem Zusammenhang darin, dass sie es erlaubt, nach der erfindungsgeπiäßen superplastischen Verformung eine erneute Kaltverformung des nach dem superplastischen Verformen erhaltenen Bauteils durchzuführen. Das auf diese Weise wieder in einen kaltverfestigten Zustand gebrachte Bauteil kann dann erneut in erfindungsgemäßer Weise verformt werden. Indem zwei oder mehrere solcher Arbeitsschrittfolgen aufeinander folgend absolviert werden, können an dem Bauteil in erfindungsgemäßer Weise unter Ausnutzung der Superplastizität des jeweiligen Stahlwerkstoffs an dem Bauteil problemlos auch solche Formelemente abgebildet werden, die bei einem einzügigen Arbeitsablauf nicht darstellbar wären.A particular advantage of the invention in this context is that it allows, according to the superplastic deformation according to the invention, a renewed cold deformation of the component obtained after superplastic forming. The component brought back into a work-hardened state in this way can then be deformed again in accordance with the invention. By completing two or more such sequences of operations successively, it is also possible without difficulty to image those form elements on the component in accordance with the invention by utilizing the superplasticity of the respective steel material, which would not be reproducible in a one-off workflow.
Sowohl im Hinblick auf die in der praktischen' Produktion angestrebten hohen Taktzeiten als auch im Hinblick auf die gezielte Ansteuerung des erfindungsgemäß einzustellenden Temperaturfensters der superplastischen Umformung ist es zweckmäßig, für die Erwärmung des Stahlblechteils eine Erwärmungseinrichtung zu verwenden, die eine schnelle, homogene Erwärmung des Stahlblechteils ermöglicht. Zu diesem Zweck besonders geeignete Vorrichtungen erwärmen das Stahlblech mit Hilfe elektrischen Stroms, der entweder direkt durch das jeweilige Blechteil geleitet wird (konduktive Erwärmung) oder ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das wiederum einen elektrischen Strom in das Stahlblechteil induziert {induktive Erwärmung) . In beiden Fällen bewirkt der elektrische Widerstand, den das Stahlbauteil selbst dem direkt eingeleiteten oder indirekt induzierten Strom entgegengesetzt, seine Erwärmung auf die gewünschte Temperatur .Both with regard to the targeted in the ' production high cycle times as well as with regard to the targeted control of the invention set temperature window of the superplastic forming, it is expedient to use a heating device for heating the steel sheet part, the rapid, homogeneous heating of the sheet steel part allows. For this purpose, particularly suitable devices heat the steel sheet with the help electric current, which is either passed directly through the respective sheet metal part (conductive heating) or generates an electromagnetic field, which in turn induces an electric current in the sheet steel part {inductive heating). In both cases, the electrical resistance caused by the steel component itself, contrary to the directly induced or indirectly induced current, causes it to be heated to the desired temperature.
Die zur Durchführung der Erfindung vorteilhaften hohen Verformungsgeschwindigkeiten lassen sich mittels handelsüblicher hydraulisch oder mechanisch arbeitenden Pressen erzielen. Günstig wirkt sich dabei aus, dass diese Pressen zwar dazu geeignet sein müssen (Druckspeicherpressen, Exzenterpressen) , die gewünscht hohen Umformgeschwindigkeiten zu bewerkstelligen. Gleichzeitig jedoch sind die für die erfindungsgemäße Verformung benötigten Umformkräfte gegenüber einer konventionell durchgeführten Umformung deutlich reduziert, so dass der für die Erzeugung der Umformkraft erforderliche Aufwand und damit die Kosten für Anschaffung und Betrieb der Pressen entsprechend minimiert ist.The advantageous for carrying out the invention high deformation rates can be achieved by means of commercially available hydraulic or mechanical presses. Favorably, this has the effect that these presses may indeed be suitable (accumulator presses, eccentric presses) to accomplish the desired high forming speeds. At the same time, however, the deformation forces required for the deformation according to the invention compared to a conventionally carried out deformation are significantly reduced, so that the time required for the generation of the forming force and thus the cost of purchase and operation of the presses is minimized accordingly.
Grundsätzlich ist es möglich, mit einer Korrosionsschutzschicht versehene beschichtete Stahlblechteile in erfindungsgemäßer Weise zu verarbeiten. Sollten jedoch die jeweils verarbeiteten Blechteile nicht über einen solchen Überzug verfügen, so ist es vorteilhaft, die Erwärmung unmittelbar vor dem Umformvorgang durchzuführen, um die Zeit, in der ein direkter Kontakt zwischen Blechteil und UmgebungsSauerstoff besteht, so kurz wie möglich zu halten. Alternativ oder ergänzend kann der Schutz des jeweils verarbeiteten Stahlblechteils gegen eine Oberflächenoxidation dadurch optimiert werden, dass die Erwärmung und/oder erfindungsgemäße superplastische Umformung des Stahlblechs unter Schutzgas erfolgt.In principle, it is possible to process coated steel sheet parts provided with a corrosion protection layer in accordance with the invention. However, if the respective processed sheet metal parts do not have such a coating, it is advantageous to carry out the heating immediately before the forming process to the time in which there is a direct contact between sheet metal part and ambient oxygen, so short as possible. Alternatively or additionally, the protection of the respectively processed steel sheet part against surface oxidation can be optimized by heating and / or superplastic forming of the steel sheet according to the invention under protective gas.
In Anbetracht der Begrenztheit des Zeitfensters, in dem die erfindungsgemäß genutzte "Instabilitäts" - Superplastizität vorliegt, ist es günstig, wenn während der Umformung möglichst hohe Verformungs- bzw. Dehngeschwindigkeiten erreicht werden. Praktische Versuche haben in diesem Zusammenhang ergeben, dass der superplastische Umformvorgang unter Berücksichtigung der durch die Erfindung vorgegebenen Randbedingungen sicher abgeschlossen werden kann, wenn dieIn view of the limitation of the time window in which the inventively used "instability" superplasticity is present, it is favorable if the highest possible deformation or expansion speeds are achieved during the forming. Practical experiments have shown in this context that the superplastic forming process can be completed safely taking into account the boundary conditions specified by the invention, if the
Dehnungsgeschwindigkeit im Bereich von 1,3 x 10"1 l/s bis 0,8 x 101 l/s liegt.Strain rate in the range of 1.3 x 10 "1 l / s to 0.8 x 10 1 l / s.
Mit der Erfindung steht somit ein Verfahren zur Verfügung, das bei optimaler Gestaltungsfreiheit und verfahrenstechnisch reduziertem Aufwand die Herstellung von Bauteilen aus Blechen ermöglicht, die aus konventionellen untereutektoiden Stählen gefertigt sind. So erlaubt es die Erfindung beispielsweise nicht nur aus hoch- und höherfesten Stählen gefertigte Blechteile zu verarbeiten, sondern auch solche, die aus Weichstählen, Vergütungsstählen oder Mehrphasenstählen bestehen.Thus, with the invention, a method is available which, with optimum design freedom and procedurally reduced complexity, enables the production of components from sheets which are manufactured from conventional hypoeutectoid steels. Thus, the invention allows, for example, not only to process sheet metal parts made of high-strength and high-strength steels, but also those which consist of soft steels, tempered steels or multiphase steels.
Das erfindungsgemäße superplastische Umformen von verfestigten Stahlmaterialien führt zu außergewöhnlich geringen Korngrößen, da bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise keine oder allenfalls nur geringfügige Gefügevergröberung nach dem Rekristallisationsvorgang eintritt. Dementsprechend weisen erfindungsgemäß hergestellte Bauteile eine optimierte Kombination aus Festigkeit und Duktilität auf. Diese macht sie besonders geeignet für die Herstellung solcher Komponenten, die als crashrelevante Bauelemente einerseits eine ausreichende Steifigkeit gewährleisten, gleichzeitig jedoch in der Lage sein sollen, die beispielsweise bei einem Unfall plötzlich auftretende kinetische Energie sicher in Verformungsenergie umzuwandeln.The inventive superplastic forming of solidified steel materials leads to exceptionally small particle sizes, since no or at most only slight in the inventive method Microstructure coarsening occurs after the recrystallization process. Accordingly, components produced according to the invention have an optimized combination of strength and ductility. This makes them particularly suitable for the production of such components, which as crashrelevante components on the one hand ensure sufficient rigidity, but at the same time should be able to safely convert, for example, in an accident occurring kinetic energy in deformation energy.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:The invention will be explained in more detail with reference to a drawing illustrating an exemplary embodiment. Each show schematically:
Fig. 1 einen Probenstab nach einer in erfindungsgemäßer Weise durchgeführten superplastischen Dehnung um 30 mm;1 shows a sample rod according to the invention carried out superplastic expansion by 30 mm.
Fig. 2 einen zweiten Probenstab nach einer in erfindungsgemäßer Weise durchgeführten superplastischen Dehnung um 30 mm;FIG. 2 shows a second sample rod after a superplastic expansion of 30 mm performed according to the invention; FIG.
Fig. 3 einen dritten Probenstab nach einer im warmen, rekristallisierten Zustand durchgeführten Dehnung um 30 mm;FIG. 3 shows a third sample rod after an elongation of 30 mm carried out in the warm, recrystallized state; FIG.
Fig. 4 die Geometrie der in den Figuren 1 - 3 dargestellten Probenstäbe im unverformten Zustand;4 shows the geometry of the sample rods shown in FIGS. 1-3 in the undeformed state;
Diag. 1 die bei Zugversuchen maximal erzielbare Dehnung von Probenstäben, die aus einem Stahl A hergestellt sind, aufgetragen über die jeweils eingestellte Temperatur;Diag. 1 the maximum achievable tensile strength of tensile specimens made of a steel A are prepared, applied over the respectively set temperature;
Diag. 2 die bei Zugversuchen maximal erzielbare Dehnung von Probenstäben, die aus einem Stahl B hergestellt sind, aufgetragen über die jeweils eingestellte Temperatur;Diag. 2 the maximum achievable in tensile tests elongation of sample rods, which are made of a steel B, applied over the set temperature in each case;
Diag. 3 die bei Zugversuchen maximal erzielbare Dehnung von Probenstäben, die aus einem Stahl C hergestellt sind, aufgetragen über die jeweils eingestellte Temperatur.Diag. 3 the maximum achievable in tensile tests elongation of sample rods, which are made of a steel C, applied over the set temperature.
Die in Fig. 1 dargestellte Probe weist eine optimale Gleichmaßdehnung in Folge des superplastischen Verformungsanteils auf.The sample shown in Fig. 1 has an optimal uniform elongation due to the superplastic deformation portion.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Probe sind im Bereich des gedehnten Probenabschnitts Mehrfacheinschnürungen zu erkennen, die typisch für eine Kombination eines superplastischen Verformungsanteils mit einer Verformungsverfestigung sind.In the sample shown in FIG. 2, in the region of the stretched sample section, multiple constrictions are typical, which are typical for a combination of a superplastic deformation portion with a strain hardening.
Die konventionelle Probe ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, nach Entstehung einer starken einzigen Einschnürung in ihrem Mittelteil gebrochen, bevor die Dehnung von 30 mm erreicht worden ist.The conventional sample is, as shown in Fig. 3, broken after the formation of a strong single constriction in its central part before the elongation of 30 mm has been reached.
Zum Nachweis der erfindungsgemäß genutzten Effekte sind aus drei handelsüblich zusammengesetzten, kaltgewalzten Stahlblechen A, B, C Proben erzeugt worden, die die in Fig. 4 dargestellte Form besaßen. Mit diesen Proben sind in einer Gleehle-Apparatur Zugversuche durchgeführt worden, bei denen die Proben in eine Zieheinrichtung eingespannt und im eingespannten Zustand mit bei Aufheizraten von mehr als 500 K/s auf die jeweilige Verformungstemperatur TW erwärmt worden sind.To demonstrate the effects used according to the invention, samples were produced from three commercially available, cold-rolled steel sheets A, B, C, which had the shape shown in FIG. 4. With these samples tensile tests were carried out in a Gleehle apparatus in which the samples were clamped in a drawing device and heated in the clamped state at heating rates of more than 500 K / s to the respective deformation temperature TW.
Die Zusammensetzung der Stähle A, B, C ist in Tabelle 1 angegeben. Der unter der Bezeichnung H300B auf dem Markt angebotene Stahl A weist ein hohes Bake-Hardening- Potenzial auf. Beim Stahl B handelt es sich um einen mikrolegierten Stahl, der unter der Bezeichnung H320LA erhältlich ist. Stahl C ist ein IF-Stahl und wird unter der Bezeichnung DX53D im Handel angeboten.The composition of steels A, B, C is shown in Table 1. The steel A marketed under the name H300B has a high bake hardening potential. Steel B is a microalloyed steel available under the designation H320LA. Steel C is an IF steel and is sold under the name DX53D.
Die Gefügekörner von jeder der aus den Stählen A, B, C gewonnenen Proben wiesen in Folge des vorangegangenen Kaltwalzens eine ausgeprägte langgestreckte Form auf. Die jeweilige in Walzrichtung gemessene "mittlere Korngröße" der Körner ist für die aus den Stählen A, B und C bestehenden Proben in Tabelle 2 angegeben.The texture grains of each of the samples obtained from the steels A, B, C had a pronounced elongated shape due to the foregoing cold rolling. The respective "mean grain size" of the grains measured in the rolling direction is given in Table 2 for the samples consisting of steels A, B and C.
Jede der aus den Stählen A, B, C hergestellten Proben ist im walzharten Zustand in die Gleeble-Apparatur eingelegt worden. Die aus dem Stahl A bestehenden Proben sind darin auf Verformungstemperaturen TW von 700 - 920 0C erwärmt worden. Ein Teil der Proben ist dabei für zwei Sekunden auf der jeweiligen Verformungstemperatur TW gehalten worden und danach bis zum Bruch gelängt worden. Es zeigte sich, dass ab Verformungstemperaturen TW von ca. 780 0C bis Verformungstemperaturen TW von ca. 850 0C eine signifikante Erhöhung der maximalen jeweils bruchfreien Dehnung ΔL eintrat. Diese lag um bis zum Dreifachen höher als die bei gleicher Haltezeit und Temperatur erreichbare Dehnung ΔL im rekristallisierenden Zustand. Der dabei wirksame Einfluss der Superplastizität war an den Probenstücken durch das Auftreten von Bonbon-artigen Mehrfacheinschnürungen (Fig. 2) oder einer hohen Gleichmaßdehnung {Fig. 1) deutlich nachweisbar. Die betreffenden Untersuchungsergebnisse sind in Diag . 1 durch weiß gefüllte Kreise gekennzeichnet.Each of the samples made of the steels A, B, C has been placed in the Gleeble apparatus in the hard-rolling condition. The existing out of the steel A sample therein for deformation temperatures TW of 700 - 920 0 C heated. A part of the samples was held at the respective deformation temperature TW for two seconds and then elongated to break. It was found that from deformation temperatures TW of about 780 0 C to deformation temperatures TW of about 850 0 C, a significant increase in the maximum break-free elongation ΔL occurred. This was up to three times higher than the achievable with the same holding time and temperature Elongation ΔL in the recrystallizing state. The thereby effective influence of the superplasticity was on the specimens by the appearance of candy-like multiple constrictions (Fig. 2) or a high uniform expansion {Fig. 1) clearly detectable. The relevant test results are in Diag. 1 marked by white filled circles.
Eine Erhöhung der Haltezeit auf 20 sec führte bei aus dem Stahl A hergestellten Proben und bei Temperaturen, die bereits für die mit den kürzeren Haltezeiten durchgeführten Versuche eingestellt worden sind, zu maximal erreichbaren Dehnungen ΔL, die meist niedriger waren als die für die Proben mit kurzer Haltezeit ermittelten. Demzufolge ist davon auszugehen, dass bei einer Haltezeit von 20 Sekunden derIncreasing the hold time to 20 sec resulted in samples prepared from steel A and at temperatures already set for the experiments with the shorter hold times to maximally attainable elongations ΔL, which were mostly lower than those for the samples with short Holding time determined. Consequently, it can be assumed that with a holding time of 20 seconds the
Rekristallisationsvorgang bereits so weit fortgeschritten ist, dass die erfindungsgemäß genutzte "Instabilitäts" - Superplastizität nicht mehr im vollen Umfang vorhanden ist. Für die Verformung von aus dem Stahl A gefertigten Stahlblechteilen liegt für eine erfindungsgemäße Verformung demzufolge das optimale Temperaturfenster im Bereich von 750 0C bis 850 0C und das für die Erwärmung und Umformung genutzte optimale Zeitfenster im Bereich von 2 bis < 20 s.Recrystallization process has already progressed so far that the inventively used "instability" superplasticity is no longer fully present. Accordingly, for the deformation of steel sheet parts made of the steel A, the optimal temperature window in the range from 750 ° C. to 850 ° C. and the optimum time window used for the heating and forming in the range from 2 to <20 s for a deformation according to the invention.
Die aus dem hartgewalzten mikrolegierten Stahl B gewonnenen Proben sind bei Temperaturen von 700 - 880 0C geprüft worden. Bei einer Haltezeit von 2 s ergab sich dabei in einem Temperaturfenster von 800 - 850 0C ein deutlicher Anstieg der maximal erreichbaren Dehnung ΔL bis zur doppelten erreichbaren Dehnung ΔL im rekristallisierten Gefügezustand (Warmzugversuch) . Die für die Haltezeit 2 s ermittelten Ergebnisse sind in Diag . 2 durch weiß gefüllte Kreise verdeutlicht.The samples obtained from the hard-rolled micro-alloyed steel B are at temperatures of 700 - 880 0 C was tested. For a holding time of 2 s resulted in this case a temperature window 800-850 0 C, a significant increase in the maximum achievable stretching .DELTA.L up to twice the attainable elongation in .DELTA.L recrystallized structural state (hot tensile test). The results obtained for the 2 s holding time are in Diag. 2 illustrated by white filled circles.
Bei einer Haltezeit von 20 s ergaben sich nur geringfügig schlechtere maximale Dehnungen, so dass davon auszugehen ist, dass der Stahl B relativ unempfindlich gegenüber einer Variation der Haltezeiten ist. Typischerweise traten dabei Mehrfacheinschnürungen auf.With a holding time of 20 s, only slightly worse maximum strains resulted, so that it can be assumed that the steel B is relatively insensitive to a variation of the holding times. Typically, multiple constrictions occurred.
Bei den auf zwischen 700 und 880 0C liegende Temperaturen erwärmten, aus dem hartgewalzten Stahl C gewonnenen Proben zeigte sich bei einer Haltezeit von 2 s in einem Temperaturfenster 770 - 850 0C ebenfalls eine deutliche Erhöhung der maximalen Dehnung ΔL. Diese war bis zu dreimal so groß wie die im Warmzugversuch maximale Dehnung im rekristallisierten Zustand.. Dabei zeigte sich, dass bei diesem Stahl im genannten Temperaturbereich schon bei einer relativ niedrigen Dehnungsgeschwindigkeit von 1,3 x 10"1 s"1 hohe maximal erzielbare Dehnungen ΔL erreicht werden. Bei weiter erhöhten Dehnungsgeschwindigkeiten von bis zu 0,8 x 101 s"1 wurden weiter erhöhte maximale Dehnungen ΔL erzielt.In the lying at 700-880 0 C temperatures heated, samples obtained from the hard-rolled steel C turned out for a holding time of 2 sec within a temperature range 770-850 0 C is also a significant increase in the maximum elongation .DELTA.L. This was up to three times as large as the maximum in the hot tensile elongation in the recrystallized state .. It was found that when this steel at said temperature region even at a relatively low strain rate of 1.3 x 10 "1 s" 1 high maximum achievable elongations ΔL can be achieved. With further increased strain rates of up to 0.8 x 10 1 s -1 , further increased maximum elongations ΔL were achieved.
Der dabei wirksame Einfluss der Superplastizität war an den Proben durch das Auftreten von bonbonartigen Mehrfahreinschnürungen oder hoher Gleichmaßdehnung deutlich nachweisbar. Besonders bemerkenswert war dabei, dass dieser Effekt erzielt werden konnte, obwohl die Proben gestreckte Körner mit in Walzrichtung gemessenen mittleren Korngrößen von mindestens 30 μm, mindestens 50 μm und mindestens 70 μm besaßen und sich im walzharten Zustand befanden. Stahl C Si Mn P S Al Cr Cu Mo N Ni 3SIb Ti SnThe effective effect of the superplasticity on the samples was clearly detectable by the appearance of bonbon-like multi-throat constrictions or high uniform elongation. It was particularly noteworthy that this effect could be achieved even though the samples had stretched grains with average grain sizes measured in the direction of rolling of at least 30 μm, at least 50 μm and at least 70 μm and were in the hard-rolled state. Steel C Si Mn PS Al Cr Cu Mo N Ni 3 Sib Ti Sn
A O ,029 0 ,162 0 ,26 O, 051 o, 006 0 ,050 0 , 003 0 , 017 0 , 003 0 , 003 0 , 017 0 , 001 0 , 004 0 ,035A O, 029 0, 162 0, 26 O, 051 o, 006 0, 050 0, 003 0, 017 0, 003 0, 003 0, 017 0, 001 0, 004 0, 035
B O , 061 0 ,212 0 ,84 o, 016 o, 005 0 , 039 0 ,021 0 , 018 0 ,001 0 ,005 0 , 014 0 ,045 0 , 001 0 ,009B O, 061 0, 212 0, 84 o, 016 o, 005 0, 039 0, 021 0, 018 0, 001 0, 005 0, 014 0, 045 0, 001 0, 009
C O, 0018 0 , 060 O ,11 o, 007 o, 013 0 ,037 0 , 017 0 ,009 0 ,015 0 , 003 0 ,016 0 ,003 0 , 077 0 , 002C O, 0018 0, 060 0, 11 o, 007 o, 013 0, 037 0, 017 0, 009 0, 015 0, 003 0, 016 0, 003 0, 077 0, 002
Angaben in Gew. -%, Rest Eisen und unvermeidbare VerunreinigungenData in% by weight, balance iron and unavoidable impurities
Tabelle 1Table 1
K*K *
O
Figure imgf000021_0001
O
Figure imgf000021_0001
Tabelle 2 Table 2

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT APPLICATIONS
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils durch Verformen eines Stahlblechteils, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Stahlblechteil im verfestigten Zustand, in dem es ein Gefüge mit Körnern, die zum überwiegenden Teil eine gerichtete, von der Kugelform abweichende Form und eine mittlere Korngröße von > 10 μm aufweisen, besitzen, auf eine Verformungstemperatur (TW) erwärmt wird, bei der in dem Stahlblechteil in Folge der einsetzenden oder ablaufenden Rekristallisation eine instabile Mikrostruktur vorliegt, und d a s s die Verformung des auf die Verformungstemperatur (TW) erwärmten Stahlblechteils im Wesentlichen während des Rekristallisationsvorgangs erfolgt.1. A method for producing a component by deforming a sheet steel part, characterized in that the steel sheet part in the solidified state, in which it has a structure with grains, which for the most part have a directional, deviating from the spherical shape and an average particle size of> 10 microns , is heated to a deformation temperature (TW) in which an unstable microstructure exists in the steel sheet part due to the onset of recrystallization, and the deformation of the sheet steel part heated to the deformation temperature (TW) substantially occurs during the recrystallization process.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Verformungstemperatur {TW} in einem von mehr als 700 0C bis 950 0C, insbesondere 750 0C bis 850 0C, reichenden Temperaturbereich liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that the deformation temperature {TW} in one of more than 700 0 C to 950 0 C, in particular 750 0 C to 850 0 C, reaching temperature range.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Erwärmung und Verformung innerhalb von 1 - 120 s, insbesondere innerhalb von 2 - 25 s abgeschlossen ist.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heating and deformation within 1 - 120 s, in particular within 2 - 25 s is completed.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Stahlblechteil im walzharten Zustand auf die Verformungstemperatur (TW) erwärmt und daraufhin warmverformt wird.4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the steel sheet part is heated to the deformation temperature (TW) in the hard-rolling state and then thermoformed.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Stahlblechteil mittels einer induktiv oder konduktiv arbeitenden Erwärmungseinrichtung erwärmt wird.5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the steel sheet part is heated by means of an inductively or conductively operating heating device.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Erwärmung und/oder Umformung des Stahlblechteils unter Schutzgas erfolgt.6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating and / or deformation of the sheet steel part takes place under protective gas.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das auf die Verformungstemperatur (TW) erwärmte Stahlblechteil mit einer Dehnungsgeschwindigkeit von ICT2 - 101 l/s, insbesondere 1,3 x 10"1 - 0,8 x 101 verformt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heated to the deformation temperature (TW) sheet steel part with a strain rate of ICT 2 - 10 1 l / s, in particular 1.3 x 10 "1 - 0.8 x 10 1 deformed becomes.
8. Verfahren nach einem der voranstellenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Stahlblechteil nach seiner superplastischen Warmumformung in einem separaten Schritt kaltverformt wird.8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the steel sheet part is cold worked after its superplastic hot forming in a separate step.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das aus dem Stahlblechteil umgeformte Bauteil ein für den Fahrzeugbau bestimmtes Teil ist.9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component formed from the steel sheet part is a part intended for vehicle construction.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Stahlblechteil aus einem untereutektoiden Stahl erzeugt ist.10. The method according to claim 1, wherein the steel sheet part is produced from a hypoeutectoid steel.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die in Längsrichtung gemessene mittlere Korngröße der Körner des Gefüges des Stahlblechteils mindestens 20 μm beträgt.11. The method according to claim 1, wherein the mean grain size of the grains of the steel sheet part measured in the longitudinal direction is at least 20 μm.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Stahlblechteil aus kaltgewalztem Stahlblech oder -band gewonnen ist und die Körner in Walzrichtung des Stahlblechteils gestreckt sind. 12. The method according to claim 1, wherein the steel sheet part is obtained from cold-rolled steel sheet or strip and the grains are stretched in the rolling direction of the steel sheet part.
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