WO2010133526A1 - Verfahren zur herstellung eines metallbauteils aus einem warmverprägten ausgangsmaterial - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines metallbauteils aus einem warmverprägten ausgangsmaterial Download PDF

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Sascha Sikora
Andreas Ulrichs
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Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metal component, in which a starting material is provided, the starting material is stamped and further processed after being stamped into a component, wherein the component has at least partially embossed regions.
  • the invention also relates to an advantageous use of a metal component produced in this way.
  • a board, a semi-finished product or a band of metal Under a starting material is understood in the context of this invention, a board, a semi-finished product or a band of metal.
  • the manufacturing process In the production of metal components, in particular of body components, the manufacturing process must meet various requirements. So it is particularly important in the production of body parts to meet the required strength properties with the lowest possible component weight and on the other to minimize manufacturing costs. In order to meet these requirements, in manufacturing processes for metal components or
  • DE 10 2007 030 388 A1 discloses a method and an apparatus for producing a hardened sheet-metal component which flexibly rolled materials, so-called tailored rolled blanks, are used. Alternatively, also welded together boards of different wall thickness, so-called “Taiiored Welded Blanks" can be used for the production of metal components.
  • Another way to optimize the weight of body parts from the prior art is the use of embossed sheets. In this process, a board is cold rolled between two rolls in the cold state. At least one of the rollers has the structure required for the embossment on the
  • the material used can be supplied to the rolls as a coil or cut to length as a single board. After embossing, the material is usually packaged and transported to the processing location. In order to provide crash-optimized components, among other things on
  • the invention is therefore the technical object of providing a method in which the manufacturing cost of crash-optimized components are reduced and at the same time a reduced wear of the rollers occurs.
  • the starting material is heat stamped. It has been recognized that the hot stamping of the starting material requires substantially lower forces for introducing the stampings.
  • the board is previously heated to a temperature above ACi temperature, ie more than 723 0 C and then embossed. This ensures that takes place before stamping an at least partial structural transformation of the board in austenitic structure. Austenitic structure requires less forming forces. The contact pressure of the press or the embossing roller is therefore lower, so that the press or roller and the associated drive need only be designed for lower forces and wear less. This leads to a cost reduction of the method over the stamping method of the prior art.
  • the starting material is heat-pressed with a roller.
  • a roll for hot stamping has the advantage that the stamping is continuously possible and thus this step of the manufacturing process can be better integrated into a process flow.
  • Starting material is warm prominently above AC 3 .
  • there is a complete austenitic structure so that a complete microstructure transformation into martensite can take place during hot stamping.
  • the starting material cures at least partially in the embossed region.
  • the contact of the roller with the starting material in the region of the embossment leads to a cooling of the hot metal, if the temperature difference between the roller or embossing punch and the starting material is large enough.
  • a structural change can be effected so that a hardening process occurs, in particular in the reason of the stampings.
  • it is possible to easily produce metal components with local hardness differences for example, have a crash-optimized strength profile.
  • the cooling may be in a further preferred
  • Embodiment of the method can be selectively optimized by the embossing tool, that is, the embossing roll or the die, is actively cooled during rolling. As a result, in particular the cooling rate and thus the degree of hardening can be adjusted.
  • the starting material consists of a steel alloy, in particular a manganese-boron steel.
  • a steel alloy in particular a manganese-boron steel.
  • the manganese-boron steel has a particularly high strength.
  • the properties of the metal component such as the
  • Corrosion resistance can be specifically adjusted in a further preferred embodiment that the ⁇ usgangsr ⁇ material is coated metallic or organic / inorganic.
  • Further processing is tempered.
  • the heat energy that was required for tempering the metal component for the hot stamping process can thus be used at least partially for subsequent processing.
  • the metal component does not have to be heated from, for example, room temperature to the processing temperature, but only from the temperature after being applied to the processing temperature. This leads to a significant energy saving.
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention is provided in that the starting material is hot-formed and / or press-hardened after stamping.
  • the processing temperatures required for hot working or press hardening are in a similar range as the preferred embossing temperature. Therefore, after embossing, very little energy is required to bring the embossed semi-finished product to the desired processing temperature. Furthermore, by hot forming high degrees of deformation can be achieved and the component can be converted very flexible.
  • a different hardness distribution in the metal component can be brought about by virtue of the fact that the non-embossed regions have direct contact with the surface of the press-hardening tool and thus cool faster than the embossed areas.
  • This can on the one hand be achieved that the non-embossed areas have a higher hardness than the embossed areas, on the other hand, in combination with the partial hardening of the embossed areas during the Ver rempligevorgangs a different or similar curing in the embossed and non-embossed area can be achieved.
  • the starting material is embossed with a microstructure.
  • a microstructure In this way, particularly homogeneous properties, in particular strength and hardness properties of the metal component are achieved.
  • microstructured embossments can provide a good combination of high strength and high weight reduction.
  • the microstructure may have any conceivable and practical form / design. For example, it is conceivable to emboss a microstructure with a surface roughness Ra of 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • a very flexible composite component is achieved in that a circuit board is used as the starting material and the circuit board after the circuit board
  • Verwoogen surface is connected to another board, preferably on the embossed side is connected.
  • These blanks are then preferably joined together by plating rolling and / or hot-forming together.
  • the blanks can be connected to one another in a material-locking manner without forming a positive fit.
  • Hot forming results in a positive connection, which connects both boards to form one component.
  • air gaps between the embossed boards can be provided, with which an improvement of the elongation capacity of the component is achieved.
  • a compound can also be implemented by known methods, for example using solders. Particularly flexible properties are achieved in the production of the previously described component in that the two boards are made of different materials.
  • the starting material is specifically embossed in the regions which contribute to the weight reduction. In this way, the production of components is possible, which have a lower weight at approximately the same strength.
  • the starting material is deliberately loaded in accordance with load, in particular with regard to the crash behavior. Due to the material thinning achieved with the embossing and / or the hardness distribution in the component achieved during embossing or by subsequent process steps, it is possible to determine the hardness and / or hardness
  • the strength properties of the component can be adjusted by the respective expected load, in particular in the case of a crash.
  • a hot-pressed metal component preferably produced by the production method according to the invention, is used in a motor vehicle body, in particular as a reinforcing element in a B-pillar, a sill or a longitudinal member. Due to the hot embossing, the characteristic properties of crash-optimized components can be set in a simple manner.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the method according to the invention
  • Fig. 6 shows a sixth embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 7 shows an embodiment of the inventive use.
  • a first is concerned with the method according to the invention.
  • a circuit board 4 is initially provided as the starting material.
  • a semi-finished example a "tailored blank" or a band can be used.
  • the board 4 is tempered for hot stamping and therefore preferably has a temperature above the AC 3 - temperature.
  • the circuit board 4 in the present embodiment consists of a manganese-boron steel and is heated to a temperature of 900 to 950 0 C. After heating, the board 4 is heat embossed in a rolling stand 6.
  • the rolling stand has an upper roll 8 and a lower roll 10, wherein the upper roll 8 has a surface structured for embossing. This is shown schematically in Fig. 1 by bulges 12. After hot embossing, the embossed board 14 has embossments 16 introduced by the bulges 12.
  • the rolling stand 6 is shown only schematically, ie it is not limited in particular to two rollers. It can also be configured as a quarto or sexto arrangement.
  • the stampings 16 can be introduced into the board 14 by a plurality of Verpragewalzen or by a Veroniagestempel. The stampings 16 can also be introduced on both sides of the board 14, for example, if the lower roller 10 has bulges.
  • the embossed board 14 or the folded semi-finished product is further processed in a further working step 18 to form a component.
  • This further Step 18 may include in particular forming operations, press hardening operations, but also chip and joining operations.
  • Fig. 2 is another embodiment of a
  • Walzstandes 26 shown for the hot stamping of the starting material.
  • the rolling stand 26 has an upper roll 28 and a lower roll 30.
  • To the surface of the upper roller 28 are arranged parallel bulges 32, with which the board 34 is stamped during hot rolling.
  • the embossed board 34 has thereby after the hot rolling strip-shaped stampings 36.
  • the method is, however, in principle not limited by the shape of the stampings.
  • Fig. 3 shows a sectional view of such a heat embossing operation.
  • the board 42 is stamped by the upper roller 44, which is only partially shown in Fig. 3, by means of the Auswöibungen 46 present on the surface.
  • the lower roller is not shown for reasons of clarity.
  • a bulge 46 of the roller 44 presses an embossment 48 into the board 42.
  • the board 42 may have a temperature above the AC 3 temperature before embossing and may be cooled by contact with the profiles 46 in the base 50 of the embossment 48 become. In this way, partial hardening or complete hardening of the board in the region of the stamping reason 50 can occur.
  • the roller 44 for example, a liquid cooling system in its interior exhibit.
  • the depth of the Verpragitch 48 is dimensioned in Fig. 3 so that the intermediate portion 52 of the roller 44 is not in direct contact between the bulges 46 with the board 42.
  • a strong cooling of the areas 54 of the board 42 lying between the depressions 48 is avoided, so that the board experiences essentially no structure change, in particular no hardening, in this area.
  • a particularly homogeneous structure of the board 42 can optionally be achieved in that the board 42 is embossed with a microstructure.
  • Fig. 4 shows a flowchart of another
  • a starting material ie a circuit board, a semifinished product or a strip is provided and tempered to the temperature for hot stamping. This temperature is preferably above the AC 3 temperature of the starting material.
  • the starting material is then hot stamped, in particular with a roller or a punch. In the embossing process, a part of the starting material can harden, for example in the embossed region by the contact with the roller or with the stamp.
  • the starting material After the stamping process, the starting material usually has a temperature which is far above the room temperature.
  • the embossed starting material for the further processing planned in the following step 68 is tempered. It will takes advantage of the fact that the already increased temperature of the starting material after hot stamping requires less energy to bring the starting material up to the processing temperature than cold-stamped blanks.
  • the starting material may at least partially still have a temperature above the ACi temperature.
  • a further processing temperature above the ACi temperature required in the subsequent step 68 only a small temperature control of the starting material is required.
  • a processing temperature above the ACi temperature is needed in particular during hot forming and press hardening. Therefore, the starting material is preferably hot worked or press cured in step 68.
  • embossed starting material is designed as a circuit board, then this board can optionally also be connected to another cold or warm board, preferably on the embossed side.
  • a embossed board 74 is shown with Verianugept 76 on the top. On this embossed board another board 78 is applied, which with the
  • Board 74 in the non-embossed areas 80 is in contact. If a cold board 78 is connected to the embossed board 74, this can lead to a hardening of the non-embossed areas 80 of the embossed board 74 as a result of the associated cooling.
  • the boards 74 and 78 can be connected to each other, for example by material bonding, in particular by welding. This way will a flexible composite member 82 made.
  • the air gaps between the boards 74 and 78 in the region of Vergar ⁇ ungen 76 can contribute specifically to an improvement in the elongation of the component 82.
  • a cohesive connection between the boards 74 and 78 it is also possible to connect the boards by a rolling process or by joint forming together to form a positive connection.
  • the embossed board 74 and the other board 78 is shown after a common forming process.
  • the two boards 74 and 78 are positively connected by the forming process in their common investment area and / or non-positively. In this way, a complex formed composite component 90 can be produced without an additional welding operation.
  • FIGS. 6a to 6c show a further exemplary processing step of a hot-stamped starting material designed as a printed circuit board.
  • the hot-stamped circuit board 96 has embossed regions 98 and non-embossed regions 100.
  • the temperature of the embossed board 96 is above the ACi temperature preferably above AC 3 .
  • the board is placed in a tool 102, consisting of an upper tool 104 and a lower tool 106, and there hot-formed into a component 108 and press hardened.
  • the component 108 is not in direct contact with the upper tool 104 in the embossed regions 98.
  • the cooling rate in these regions 98 is thus lower than in the embossed regions 100. Consequently, in these regions 98 there is no structural change of the component 108, so that the component 108 is cured only in the non-embossed regions 100.
  • This manufacturing method can be advantageously combined with the partial curing of the embossed board during hot stamping.
  • the embossed and non-embossed areas can be hardened differently either or equally by different cooling rates, so that a variety of locally different hardness properties of the component thus produced is possible.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment for an advantageous use of a hot-stamped metal component as B pillar 114.
  • the B pillar 114 has a pillar region 116 and an upper connecting region 118 and a lower connecting region 120.
  • body elements such as B-pillars there is a requirement to provide a high strength of the component at a low weight at the same time.
  • weight can be saved by the embossings introduced with the method, since in the area of the embossings a thinning of the material thickness occurs, and on the other hand the Strength or hardness can be adapted specifically to the load, in particular with regard to the crash behavior of the corresponding component, since the microstructural changes during the embossing or the subsequent method steps can locally adjust the properties of the component, for example in the connection region 120.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils, bei dem ein Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) bereitgestellt wird, das Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) verprägt wird und nach dem Verprägen zu einem Bauteil (90, 108, 114) weiterverarbeitet wird, wobei das Bauteil (90, 108, 114) zumindest teilweise verprägte Bereiche (16, 36, 48, 98) aufweist und wobei das Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) warmverprägt wird. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines warmverprägten Metallbauteils, vorzugsweise hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, in einer Kraftfahrzeugkarosserie, insbesondere als Verstärkungselement in einer B-Säule (114), einem Schweller oder einem Längsträger.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES METALLBAUTEILS AUS EINEM WARMVERPRAGTEN AUSGANGSMATERIAL
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils, bei dem ein Ausgangsmaterial bereitgestellt wird, das Ausgangsmaterial verprägt wird und nach dem Verprägen zu einem Bauteil weiterverarbeitet wird, wobei das Bauteil zumindest teilweise verprägte Bereiche aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine vorteilhafte Verwendung eines auf diese Weise hergestellten Metallbauteils.
Unter einem Ausgangsmaterial wird im Rahmen dieser Erfindung eine Platine, ein Halbzeug oder ein Band aus Metall verstanden. Bei der Herstellung von Metallbauteilen, insbesondere von Karosseriebauteilen, sind durch das Herstellungsverfahren verschiedene Anforderungen zu erfüllen. So ist es bei der Herstellung von Karosseriebauteilen besonders wichtig, die geforderten Festigkeitseigenschaften bei einem möglichst geringen Bauteilgewicht zu erfüllen und zum anderen die Herstellungskosten zu minimieren. Um diesen Anforderungen gerecht werden, werden bei Herstellungsverfahren für Metallbauteile bzw.
Karosseriebauteile aus dem Stand der Technik verschiedene Strategien verfolgt.
Eine Möglichkeit, das Bauteilgewicht bei gleicher Festigkeit zu senken, ist der Einsatz von variablen Wandstärken innerhalb eines Bauteils. So wird in der
DE 10 2007 030 388 Al ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteils offenbart, bei denen flexibel gewalzte Materialien, sogenannte "Tailored Rolled Blanks", eingesetzt werden. Alternativ können auch miteinander verschweißte Platinen verschiedener Wanddicke, sogenannte "Taiiored Welded Blanks", zur Herstellung von Metallbauteilen verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit zur Gewichtsoptimierung von Karosseriebauteilen aus dem Stand der Technik besteht in dem Einsatz von verprägten Blechen. Bei diesem Verfahren wird eine Platine im kalten Zustand zwischen zwei Walzen kaltgewalzt. Mindestens eine der Walzen weist die für die Verprägung benötigte Struktur an der
Oberfläche auf. Der eingesetzte Werkstoff kann als Coil oder abgelängt als Einzelplatine dem Walzen zugeführt werden. Nach dem Verprägen wird das Material üblicherweise verpackt und an den Verarbeitungsort transportiert. Um crashoptimierte Bauteile bereitzustellen, muss unter anderem am
Verarbeitungsort das Gefüge der kaltwalzgeprägten Platinen verändert werden. Dies erfolgt beispielsweise durch einen lokalen Wärmeeintrag. Der Nachteil dieser Verfahren aus dem Stand der Technik besteht darin, dass die Herstellungskosten von crashoptimierten Bauteilen erhöht sind. Ferner ergibt sich aufgrund des kalten Prägewalzens ein erhöhter Verschleiß der Walzen aufgrund hoher Walzkräfte.
Der Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Herstellungskosten für crashoptimierte Bauteile reduziert sind und gleichzeitig ein verringerter Verschleiß der Walzen auftritt.
Dies wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Ausgangsmaterial warmverprägt wird. Es ist erkannt worden, dass beim Warmverprägen des Ausgangsmaterials wesentlich geringere Kräfte zum Einbringen der Verprägungen erforderlich sind. Beim Warmverprägen wird die Platine zuvor auf eine Temperatur von oberhalb ACi Temperatur erwärmt, also auf mehr als 723 0C und anschließend verprägt. Hierdurch wird erreicht, dass vor dem Verprägen eine zumindest teilweise Gefügeumwandlung der Platine in austenitisches Gefüge stattfindet. Austenitisches Gefüge benötigt geringere Umformkräfte. Der Anpressdruck der Presse bzw. der Verprägewalze ist folglich geringer, so dass die Presse bzw. Walze und der zugehörige Antrieb lediglich für geringere Kräfte ausgelegt werden müssen und weniger verschleißen. Dies führt zu einer Kostenreduktion des Verfahrens gegenüber dem Verprägeverfahren aus dem Stand der Technik.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Ausgangsmaterial mit einer Walze warmverpragt . Die Verwendung einer Walze zum Warmverprägen hat den Vorteil, dass das Verprägen kontinuierlich möglich ist und dieser Schritt des Herstellverfahrens folglich besser in einen Prozessablauf integriert werden kann.
Es hat sich herausgestellt, dass besonders geringe Kräfte für gute Verprägeergebnisse ausreichend sind, wenn das
Ausgangsmaterial oberhalb von AC3 warmverpragt wird. In diesem Fall liegt vollständig austenitisches Gefüge vor, so dass beim Warmverprägen eine vollständige Gefügeumwandlung in Martensit erfolgen kann. Dies ergibt besonders hohe Festigkeiten der Platine nach dem Warmverprägen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens härtet das Ausgangsmaterial im verprägten Bereich zumindest teilweise durch. Durch den Kontakt der Walze mit dem Ausgangsmaterial im Bereich der Verprägung kommt es zu einer Abkühlung des warmen Metalls, wenn der Temperaturunterschied zwischen Walze oder Prägestempel und dem Ausgangsmaterial groß genug ist. Dadurch kann eine Gefügeänderung bewirkt werden, so dass es insbesondere im Grund der Verprägungen zu einem Härtevorgang kommt. So ist es möglich, auf einfache Weise Metallbauteile mit lokalen Härteunterschieden herzustellen, die beispielsweise ein crashoptimiertes Festigkeitsprofil aufweisen .
Das Abkühlen kann in einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform des Verfahrens gezielt optimiert werden, indem das Prägewerkzeug, das heißt die Prägewalze oder der Prägestempel, beim Walzen aktiv gekühlt wird. Dadurch kann insbesondere die Abkühlrate und somit der Grad des Härtens eingestellt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gegeben, dass das Ausgangsmaterial aus einer Stahllegierung, insbesondere einem Mangan-Bor-Stahl besteht. Mit diesen Materialien können die Anforderungen an Karosseriebauteile im Kraftfahrzeugbau besonders gut erfüllt werden. Weiterhin weist insbesondere der Mangan-Bor-Stahl eine besonders hohe Festigkeit auf.
Die Eigenschaften des Metallbauteils, beispielsweise die
Korrosionsbeständigkeit, können in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezielt dadurch eingestellt werden, dass das Äusgangsrαaterial metallisch oder organisch/anorganisch beschichtet ist.
Eine weitere Reduktion der Herstellungskosten wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass das Ausgangsmaterial nach dem Verprägen auf die Verarbeitungstemperatur für die nachfolgende
Weiterverarbeitung temperiert wird. Die Wärmeenergie, die zur Temperierung des Metallbauteils für den Warmverprägevorgang benötigt wurde, kann somit zumindest teilweise für die nachfolgende Weiterverarbeitung genutzt werden. Somit muss für die Weiterverarbeitung das Metallbauteil nicht von beispielsweise Raumtemperatur auf die Verarbeitungstemperatur erhitzt werden, sondern lediglich von der Temperatur nach dem Verprägen auf die Verarbeitungstemperatur. Dies führt zu einer deutlichen Energieeinsparung.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gegeben, dass das Ausgangsmaterial nach dem Verprägen warmumgeformt und/oder pressgehärtet wird. Die für das Warmumformen bzw. Presshärten erforderlichen Verarbeitungstemperaturen liegen in einem ähnlichen Bereich wie die bevorzugte Verprägetemperatur . Daher ist nach dem Verprägen besonders wenig Energie erforderlich, um das verprägte Halbzeug auf die gewünschte Verarbeitungstemperatur zu bringen. Weiterhin können durch Warmumformen hohe Umformgrade erreicht und das Bauteil sehr flexibel umgeformt werden.
Durch das Presshärten des verprägten Metallbauteils kann eine unterschiedliche Härteverteilung im Metallbauteil dadurch herbeigeführt werden, dass die nicht-verprägten Bereiche direkten Kontakt mit der Oberfläche des Presshärtwerkzeugs haben und somit schneller abkühlen als die verprägten Bereiche. Damit kann einerseits erreicht werden, dass die nicht verprägten Bereiche eine höhere Härte aufweisen als die verprägten Bereiche, andererseits kann in Kombination mit der Teilaushärtung der verprägten Bereiche während des Verprägevorgangs eine verschiedenartige oder gleichartige Durchhärtung im verprägten und im nicht-verprägten Bereich erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ausgangsmaterial mit einer Mikrostruktur verprägt. Auf diese Weise werden besonders homogene Eigenschaften, insbesondere Festigkeits- und Härteeigenschaften des Metallbauteils erreicht. Außerdem können die Verprägungen mit einer Mikrostruktur eine gute Kombination von hoher Festigkeit und hoher Gewichtsreduktion erzielen. Die Mikrostruktur kann jegliche denkbare und in der Praxis umzusetzende Form/Ausgestaltung aufweisen. Beispielsweise ist vorstellbar, eine Mikrostruktur mit einer Rautiefe Ra von 50 μm bis 500μm einzuprägen.
Ein sehr flexibles Verbundbauteil wird in einer weiteren Ausführungsform dadurch erreicht, dass als Ausgangsmaterial eine Platine verwendet wird und die Platine nach dem
Verprägen flächig mit einer weiteren Platine verbunden wird, vorzugsweise auf der verprägten Seite verbunden wird. Diese Platinen werden dann vorzugsweise durch ein Plattierwalzen und/oder durch gemeinsames Warmumformen miteinander verbunden. Beim Plattierwalzen können die Platinen ohne einen Formschluss zu bilden miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Beim gemeinsamen Warmumformen entsteht ein Formschluss, welcher beide Platinen zu einem Bauteil verbindet. Optional können Luftspalte zwischen den verprägten Platinen vorgesehen sein, mit denen eine Verbesserung des Dehnungsvermögens des Bauteils erreicht wird. Eine Verbindung ist aber auch durch bekannte Verfahren umsetzbar, beispielsweise unter Anwendung von Loten. Besonders flexible Eigenschaften werden bei der Herstellung des vorhergehend beschriebenen Bauteils dadurch erreicht, dass die beiden Platinen aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ausgangsmaterial gezielt in den Bereichen verprägt, die zur Gewichtsreduzierung beisteuern. Auf diese Weise ist die Herstellung von Bauteilen möglich, welche bei annähernd gleicher Festigkeit ein geringeres Gewicht aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Ausgangsmaterial gezielt belastungsgerecht, insbesondere im Hinblick auf das Crashverhalten,, verprägt. Durch die mit dem Verprägen erreichte Materialausdünnung und/oder durch die während des Verprägens oder durch nachfolgende Verfahrensschritte erreichte Härteverteilung im Bauteil ist es möglich, die Härte- und/oder
Festigkeitseigenschaften des Bauteils ortsabhängig von der jeweiligen zu erwartenden Belastung, insbesondere bei einem Crash, einzustellen.
Die technische Aufgabe wird in einer zweiten Lehre dadurch gelöst, dass ein warmverprägtes Metallbauteil, vorzugsweise hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, in einer Kraftfahrzeugkarosserie, insbesondere als Verstärkungselement in einer B-Säule, einem Schweller oder einem Längsträger verwendet wird. Durch die Warmverprägung können die charakteristischen Eigenschaften crashoptimierter Bauteile auf einfache Weise gezielt eingestellt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen entnommen werden. Dabei wird Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
OFig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verwendung . In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiei des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei dem Verfahren 2 wird als Ausgangsmaterial zunächst eine Platine 4 bereitgestellt. Anstelle einer Platine könnte hier und in den übrigen Ausführungsbeispielen auch ein Halbzeug beispielsweise ein „tailored Blank" oder ein Band verwendet werden.
Die Platine 4 wird für das Warmverprägen temperiert und weist daher vorzugsweise eine Temperatur oberhalb der AC3- Temperatur auf. Die Platine 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht aus einem Mangan-Bor-Stahl und wird auf eine Temperatur von 900 bis 950 0C erwärmt. Nach dem Erwärmen wird die Platine 4 in einem Walzstand 6 warmverprägt . Der Walzstand weist eine obere Walze 8 und eine untere Walze 10 auf, wobei die obere Walze 8 eine für die Verprägung strukturierte Oberfläche aufweist. Diese ist in Fig. 1 schematisch durch Auswölbungen 12 dargestellt. Nach dem Warmverprägen weist die verprägte Platine 14 durch die Auswölbungen 12 eingebrachte Verprägungen 16 auf.
Der Walzstand 6 ist lediglich schematisch dargestellt, d.h. er ist insbesondere nicht auf zwei Walzen beschränkt. Er kann auch als Quarto- oder Sexto-Anordnung ausgebildet sein. Die Verprägungen 16 können in die Platine 14 auch durch mehrere Verpragewalzen oder durch einen Verprägestempel eingebracht werden. Die Verprägungen 16 können auch beidseitig in die Platine 14 eingebracht werden, beispielsweise wenn auch die untere Walze 10 Auswölbungen aufweist. Nach dem Warmverprägevorgang wird die verprägte Platine 14 bzw. das verpräσte Halbzeug in einem weiteren Arbeitsschritt 18 zu einem Bauteil weiterverarbeitet. Dieser weitere Arbeitsschritt 18 kann insbesondere Umformvorgänge, Presshärtevorgänge, aber auch Span- und Fügevorgänge umfassen.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Walzstandes 26 für das Warmverprägen des Ausgangsmaterials gezeigt. Der Walzstand 26 weist eine obere Walze 28 und eine untere Walze 30 auf. Zu der Oberfläche der oberen Walze 28 sind parallele Auswölbungen 32 angeordnet, mit denen die Platine 34 während des Warmwalzens verprägt wird. Die verprägte Platine 34 weist dadurch nach dem Warmwalzvorgang streifenförmige Verprägungen 36 auf. Das Verfahren ist prinzipiell jedoch nicht durch die Form der Verprägungen begrenzt .
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines solchen Warmverprägevorgangs . Die Platine 42 wird durch die obere Walze 44, welche in Fig. 3 nur teilweise gezeigt ist, mittels der an der Oberfläche vorhandenen Auswöibungen 46 verprägt. Die untere Walze ist aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Bei dem Verprägevorgang drückt eine Auswölbung 46 der Walze 44 jeweils eine Verprägung 48 in die Platine 42. Die Platine 42 kann vor dem Verprägen eine Temperatur oberhalb der AC3- Temperatur aufweisen und durch den Kontakt mit den Profilen 46 im Grund 50 der Verprägung 48 abgekühlt werden. Auf diese Weise kann es zu einer Teilaushärtung oder zu einer vollständigen Aushärtung der Platine im Bereich des Verprägungsgrundes 50 kommen.
Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, dass die obere Walze 44 aktiv gekühlt wird. Dazu kann die Walze 44 beispielsweise ein Flüssigkeitskühlsystem in ihrem Inneren aufweisen. Die Tiefe der Verpragungen 48 ist in Fig. 3 so bemessen, dass der Zwischenbereich 52 der Walze 44 zwischen den Auswölbungen 46 mit der Platine 42 nicht in direktem Kontakt steht. Dadurch wird ein starkes Abkühlen der zwischen den Verpragungen 48 liegenden Bereiche 54 der Platine 42 vermieden, so dass die Platine in diesem Bereich im Wesentlichen keine Gefügeänderung, insbesondere keine Härtung erfährt. Auf diese Weise kann eine unterschiedliche Härteverteilung in den verprägten und nicht verprägten Bereichen der Platine 42 erreicht werden. Eine besonders homogene Struktur der Platine 42 kann optional dadurch erreicht werden, dass die Platine 42 mit einer Mikrostruktur verprägt wird.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dem Verfahren 60 wird in einem ersten Schritt 62 ein Ausgangsmaterial, d.h. eine Platine, ein Halbzeug oder ein Band bereitgestellt und auf die Temperatur zum Warmverprägen temperiert. Diese Temperatur liegt vorzugsweise oberhalb der AC3-Temperatur des Ausgangsmaterials. Im nächsten Schritt 64 wird das Ausgangsmaterial dann warmverprägt , insbesondere mit einer Walze oder einem Stempel. Bei dem Verprägevorgang kann ein Teil des Ausgangsmaterials aushärten, beispielsweise im verprägten Bereich durch den Kontakt mit der Walze bzw. mit dem Stempel.
Nach dem Verprägevorgang weist das Ausgangsmaterial in der Regel eine Temperatur auf, die weit oberhalb der Raumtemperatur liegt. Im nachfolgenden Schritt 66 wird das verprägte Ausgangsmaterial für die im nachfolgenden Schritt 68 geplante Weiterverarbeitung temperiert. Dabei wird ausgenutzt, dass durch die bereits erhöhte Temperatur des Ausgangsmaterials nach dem Warmverprägen weniger Energie aufzuwenden ist, um das Ausgangsmaterial auf die Verarbeitungstemperatur zu bringen, als bei kaltverprägten Platinen.
Insbesondere kann das Ausgangsmaterial nach dem Verprägen zumindest teilweise noch eine Temperatur oberhalb der ACi- Temperatur aufweisen. Für eine im nachfolgenden Schritt 68 erforderliche Weiterverarbeitungstemperatur oberhalb der ACi- Temperatur ist damit nur eine geringe Temperierung des Ausgangsmaterials erforderlich. Eine Verarbeitungstemperatur oberhalb der ACi-Temperatur wird insbesondere beim Warmumformen und Presshärten benötigt. Daher wird das Ausgangsmaterial im Schritt 68 bevorzugt warmumgeformt bzw. pressgehärtet .
Ist das verprägte Ausgangsmaterial als Platine ausgebildet, so kann diese Platine optional auch mit einer weiteren kalten oder warmen Platine, vorzugsweise auf der verprägten Seite verbunden werden.
In Fig. 5a ist eine verprägte Platine 74 mit Verprägungen 76 auf der Oberseite dargestellt. Auf diese verprägte Platine ist eine weitere Platine 78 aufgebracht, welche mit der
Platine 74 in den nicht verprägten Bereichen 80 in Kontakt steht. Wird eine kalte Platine 78 mit der verprägten Platine 74 verbunden, so kann dies durch die damit verbundene Abkühlung zu einer Härtung der nicht-verprägten Bereiche 80 der verprägten Platine 74 führen. Die Platinen 74 und 78 können beispielsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Schweißen, miteinander verbunden werden. Auf diese Weise wird ein flexibles Verbundbauteil 82 hergestellt. Die Luftspalte zwischen den Platinen 74 und 78 im Bereich der Verpräσungen 76 können gezielt zu einer Verbesserung des Dehnungsvermögens des Bauteils 82 beitragen.
Durch die Auswahl verschiedener Materialien für die Platinen 74 und 78, insbesondere verschiedener Stahllegierungen mit verschiedenen Eigenschaften bezüglich der Festigkeit und Härte, können auf sehr flexible Weise unterschiedliche Bauteile 82 gefertigt werden.
Anstelle einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Platinen 74 und 78 ist es auch möglich, die Platinen durch einen Walzprozess bzw. durch gemeinsames Umformen miteinander zu einem Formschluss zu verbinden. In Fig. 5b ist die verprägte Platine 74 und die weitere Platine 78 nach einem gemeinsamen Umformvorgang gezeigt. Die beiden Platinen 74 und 78 sind durch den Umformvorgang in ihrem gemeinsamen Anlagebereich form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Auf diese Weise kann ein kompliziert umgeformtes Verbundbauteil 90 ohne einen zusätzlichen Schweißvorgang hergestellt werden.
In den Figuren 6a bis 6c ist ein weiterer beispielhafter Verarbeitungsschritt eines warmverprägten, als Platine ausgebildeten Ausgangsmaterials gezeigt. Die warmverprägte Platine 96 weist verprägte Bereiche 98 und nicht verprägte Bereiche 100 auf. Die Temperatur der verprägten Platine 96 liegt dabei oberhalb der ACi-Temperatur bevorzugt oberhalb von AC3. Die Platine wird in ein Werkzeug 102, bestehend aus einem Oberwerkzeug 104 und einem Unterwerkzeug 106, eingebracht und dort zu einem Bauteil 108 warmumgeformt und pressgehärtet. Beim Presshärtevorgang liegt das Bauteil 108 dabei in den verprägten Bereichen 98 nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Oberwerkzeug 104. Die Abkühlungsrate in diesen Bereichen 98 ist somit geringer als in den verprägten Bereichen 100. Demzufolge kommt es in diesen Bereichen 98 nicht zu einer Gefügeänderung des Bauteils 108, so dass das Bauteil 108 nur in den nicht-verprägten Bereichen 100 gehärtet wird.
Dieses Herstellungsverfahren lässt sich vorteilhaft mit der Teilaushärtung der verprägten Platine während des Warmverprägens kombinieren. Mittels Teilaushärten der Platine im verprägten Bereich durch den Kontakt mit der Walze bzw. mit dem Prägestempel während des Warmverprägens und dem Karten der nicht verprägten Bereiche im Presshärtwerkzeug 102 können die verprägten und nicht verprägten Bereiche entweder gleichermaßen oder durch verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten unterschiedlich gehärtet werden, so dass eine Vielzahl von lokal unterschiedlichen Härteeigenschaften des so hergestellten Bauteils möglich ist.
Fig. 7 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel für eine vorteilhafte Verwendung eines warmverprägten Metallbauteils als B-Säule 114. Die B-Säule 114 weist einen Säulenbereich 116 sowie einen oberen Verbindungsbereich 118 und einen unteren Verbindungsbereich 120 auf. Bei der Herstellung von Karosserieelementen wie beispielsweise B-Säulen besteht die Anforderung, gleichzeitig eine hohe Festigkeit des Bauteils bei einem geringen Gewicht vorzusehen. Durch die mit dem Verfahren eingebrachten Verprägungen kann einerseits Gewicht eingespart werden, da es im Bereich der Verprägungen zu einer Ausdünnung der Materiaidicke kommt, und andererseits kann die Festigkeit oder Härte gezielt belastungsgerecht angepasst werden, insbesondere im Hinblick auf das Crashverhaiten des entsprechenden Bauteils, da durch die Gefügeänderungen während des Verprägens oder der nachfolgenden Verfahrensschritte die Eigenschaften des Bauteils lokal gezielt eingestellt werden können, beispielsweise im Verbindungsbereich 120.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils, bei dem ein Ausgangsmarerial (4, 34, 42, 74) bereitgestellt wird, das Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74; verprägt wird und nach dem Verpraσen zu einem Bauteil
(90, 108, 114) weiterverarbeitet wird, wobei das Bauteil (90, 108, 114) zumindest teilweise verprägte Bereiche (16, 36, 48, 98) aufweist, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) warmverprägt wird.
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 das Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) mit einer Walze (8, 28, 44) warmverprägt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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 Ausgangsmaterial [A, 34, 42, 74) oberhalb von AC3 warmverprägt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) im verprägten Bereich (16, 36, 48, 98) zumindest teilweise durchhärtet
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 Prägewerkzeuσ (8, 28, 44) beim Walzen aktiv gekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) aus Stahl, insbesondere einem Mangan-Bor-Stahl, oder aus einer Stahllegierung besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) metallisch oder organisch oder anorganisch beschichtet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) nach dem Verprägen auf die Verarbeitungstemperatur für die nachfolgende Weiterverarbeitung temperiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) nach dem Verprägen warmumgeformt und/oder pressgehärtet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) mit einer Mikrostruktur verprägt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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 als Ausσangsmaterial eine Platine (74) verwendet wird und die Platine (74) nach dem Verprägen flächig mit einer weiteren Platine (78) vorzugsweise auf der verprägten Seite verbunden wird.
12. Verfahren nach Ansprüche 10, 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 Platinen (74, 78) durch ein Plattierwalzen und/oder durch gemeinsames Warmumformen miteinander verbunden werden .
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, 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 beiden Platinen (74, 78) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) gezielt in den Bereichen verprägt wird, die zur Gewichtsreduzierung beisteuern.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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 Ausgangsmaterial (4, 34, 42, 74) gezielt belastungsgerecht, insbesondere im Hinblick auf das Crashverhalten, verprägt wird.
16. Verwendung eines warmverprägten Metallbauteils, vorzugsweise hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 15, in einer Kraftfahrzeugkarosserie, insbesondere als Verstärkungselement in einer B-Säuie (114), einem Schweller oder einem Längsträger.
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