Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen gehärteter Stahlbauteile.

Gehärtete Stahlbauteile haben insbesondere im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass durch ihre herausragen ^¬ den mechanischen Eigenschaften eine Möglichkeit besteht, eine besonders stabile Fahrgast zelle zu erstellen, ohne dass Bau ^¬ teile verwendet werden müssen, die bei normalen Festigkeiten viel massiver und dadurch schwerer ausgebildet werden.

Zur Erzeugung derartiger gehärteter Stahlbauteile werden Stahlsorten, die durch eine Abschreckhärtung härtbar sind, verwendet. Derartige Stahlsorten sind zum Beispiel borlegierte Mangankohlenstoffstähle, wobei der am weitesten eingesetzte, hier der 22MnB5 ist. Aber auch andere borlegierte Mangankoh ^¬ lenstoffstähle werden hierfür verwendet.

Um die aus diesen Stahlsorten gehärtete Bauteile zu erzeugen, muss das Stahlmaterial auf die Austenitisierungstemperatur (>AC ₃ ) erhitzt werden und abgewartet werden, bis der Stahlwerk ^¬ stoff austenitisiert ist. Je nach gewünschtem Härtegrad können hier Teil- oder Vollaustenitisierungen erzielt werden.

Wird ein solches Stahlmaterial nach der Austenitisierung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Ge ^¬ schwindigkeit abgekühlt, wandelt die austenitische Struktur in eine martensitische, sehr harte Struktur um. Auf diese Weise sind Zugfestigkeiten R _m bis über 1500 MPa erzielbar. Zur Erzeugung der Stahlbauteile sind derzeit zwei Verfahrens ^¬ wege üblich.

Beim sogenannten Formhärten wird eine Stahlblechplatine aus einem Stahlband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt und anschließend in einem üblichen, beispielsweise fünfstufi ^¬ gen Tiefziehprozess zum fertigen Bauteil tiefgezogen. Dieses fertige Bauteil wird hierbei etwas kleiner dimensioniert, um eine nachfolgende Wärmedehnung beim Austenitisieren zu kompen- sieren.

Das so erzeugte Bauteil wird anschließend austenitisiert und dann in ein Formhärtewerkzeug eingelegt, in dem es gepresst, aber nicht oder nur sehr gering umgeformt wird und durch die Pressung die Wärme aus dem Bauteil in das Presswerkzeug fließt, und zwar mit der über der kritischen Härtegeschwindig ^¬ keit liegenden Geschwindigkeit.

Der weitere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten, bei dem eine Platine aus einem Stahlblechband abgetrennt bsp. aus ^¬ geschnitten oder gestanzt wird, anschließend die Platine aus ^¬ tenitisiert wird und die heiße Platine bei einer Temperatur unter 782°C in einem vorzugsweise einstufigen Schritt umge ^¬ formt und gleichzeitig mit einer über der kritischen Härtege- schwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt wird.

In beiden Fällen können mit metallischen Korrosionsschutz ^¬ schichten z.B. mit Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink versehene Platinen verwendet werden. Das Formhärten wird auch als indirekter Prozess bezeichnet und das Presshärten als direkter Prozess. Der Vorteil des indirekten Prozesses ist, dass aufwändigere Werkstücksgeometrien realisierbar sind. Der Vorteil des direkten Prozesses ist, dass ein höherer Mate ^¬ rialnutzungsgrad erreicht werden kann. Jedoch ist die erreich ^¬ bare Bauteilkomplexität vor allem beim einstufigen Umformpro- zess geringer.

Beim Presshärten ist jedoch von Nachteil, dass es insbesondere bei verzinkten Stahlblechplatinen dazu kommt, dass Mikrorisse in der Oberfläche gebildet werden. Hierbei wird zwischen Mikrorissen erster Ordnung und Mikroris- sen zweiter Ordnung unterschieden.

Mikrorisse erster Ordnung werden auf das sogenannte Liquid Me- tal Embrittlement zurückgeführt. Man vermutet, dass flüssige Zinkphasen während des Umformens, d.h. während Zugspannungen auf das Material aufgebracht werden, mit noch bestehenden Aus- tenitphasen in Wechselwirkung geraten, wodurch Mikrorisse mit Tiefen bis zu einigen 100 pm im Material erzeugt werden. Der Anmelderin ist es gelungen, durch aktives oder passives Kühlen des Materials zwischen der Entnahme aus dem Erhitzungs ^¬ ofen und vor dem Start des Warmumformvorgangs auf Temperatu ^¬ ren, bei denen keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind, diese Mikrorisse erster Ordnung zu unterbinden. Dies bedeutet, dass die Warmumformung bei Temperaturen unter etwa 750 °C stattfindet .

Die Mikrorisse zweiter Ordnung sind bislang bei der Warmumfor ^¬ mung trotz Vorkühlung nicht beherrschbar und entstehen auch bei Warmumformtemperaturen unter 600 °C. Die Risstiefen hierbei betragen hierbei bis zu einigen 10 pm. Weder Mikrorisse erster Ordnung noch Mikrorisse zweiter Ord ^¬ nung werden von den Anwendern akzeptiert, da dies eine mögli ^¬ che Schadensquelle darstellt. Mit den bisherigen Methoden kann eine Produktion von Bauteilen ohne Mikrorisse zweiter Ordnung noch nicht gesichert darge ^¬ stellt werden.

Aus der DE 10 2011 055 643 AI ist ein Verfahren und Umform- Werkzeug zum Warmumformpresshärten von Werkstücken aus Stahl ^¬ blech bekannt, und insbesondere aus verzinkten Werkstücken aus Stahlblech. Hierbei soll die zum Warmumformen und Presshärten verwendete Matrize in ihrem durch einen positiven Ziehradius definierten Ziehkantenbereich mit einem Materialstoff flüssig beschichtet sein oder mit einem Einsatzteil versehen sein, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die um mindestens 10 W/ (m x K) geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des dem Ziehkanten ^¬ bereich benachbarten Abschnitts der Matrize, der beim Warmum ^¬ formen und Presshärten des Werkstücks mit demselben in Kontakt gelangt. Die dem Werkstück zugewandte Oberfläche des im Zieh ^¬ kantenbereich aufgetragenen Materials oder des angeordneten Einsat zteiles soll ein sich über die Ziehkante erstreckendes Quermaß besitzen, das im Bereich des 1,6-fachen bis 10-fachen des positiven Ziehradius der Matrize liegt. Hierdurch sollen die Fließeigenschaften von Werkstücken aus Stahlblech während des Warmumformens verbessert werden und damit die Gefahr des Auftretens von Rissen bei der Warmumformung von Werkstücken aus Stahlblech, vorzugsweise verzinkten Stahlplatinen, erheb ^¬ lich reduziert werden. Mit einem solchen Werkzeug können je- doch Mikrorisse zweiter Art nicht vermieden werden.

Aus der DE 10 2011 052 773 AI ist ein Werkzeug für ein Press ^¬ härtewerkzeug bekannt, wobei die formgebende Oberfläche des Werkzeugs bereichsweise durch in die Formoberfläche zwei ein- gebrachte Mikrovertiefungen mikrostrukturiert. Durch diese Maßnahme soll die für die Umformung eines Rohlings effektive Kontaktfläche zwischen der Formoberfläche mit einem Rohling auf die zwischen den Vertiefungen befindlichen Flächenanteile vier beschränkt werden. Hierdurch soll die Reibung vermindert werden .

Aus der DE 10 2004 038 626 B3 ist ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech bekannt, wobei vor, beim oder nach dem Formen des Formteils ein notwendiger Endbe ^¬ schnitt des Formteils und gegebenenfalls erforderliche Ausst ^¬ anzungen bzw. die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen wird und das Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffs ermöglicht, und wobei das Bauteil anschließend in ein Formhärtewerkzeug überführt wird und im Formhärtewerk ^¬ zeug eine Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das zu ^¬ mindest teilbereichsweise Anlegen und Pressen des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird, wobei das Bauteil vom Formhärtewerkzeug im Be ^¬ reich der positiven Radien gestützt wird und im Bereich der Beschnittkanten vorzugsweise von zwei Klemmen festgehalten wird und in Bereichen, in denen das Bauteil nicht geklemmt wird, das Bauteil zumindest zu einer Formwerkzeughälfte mit einem Spalt beabstandet ist. Diese Maßnahme dient dazu, das Bauteil verzugsfrei klemmen zu können und unterschiedliche Härtegradienten durch unterschiedliche Härtegeschwindigkeiten einzustellen . Aufgabe der Erfindung ist es, Mikrorisse zweiter Art in direkt warmumgeformten, also pressgehärteten Bauteilen zu vermeiden.

Die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des An ^¬ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ge ^¬ kennzeichnet . Es ist darüber hinaus eine Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaf ^¬ fen, mit der Stahlblechplatinen im Presshärteverfahren warmum ^¬ geformt und gehärtet werden können und bei dem Mikrorisse ver ^¬ mieden werden. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in hier ^¬ von abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfinder haben erkannt, dass Mikrorisse zweiter Art ent- stehen, wenn in zugbelasteten Bereichen der auftretende Zink ^¬ dampf in hinreichender Konzentration zum Stahl gelangt, soge ^¬ nanntes Vapour Metal Embrittlement (VME) . Zinkdampf entsteht durch Aufreißen der Zinkeisenschicht bei der Dehnung während des Umformvorgangs. Hinreichende Konzentration tritt insbeson- dere in jenen Bereichen auf in welchen direkter Kontakt des Blechs mit dem Werkzeug vorherrscht oder ein sehr geringer Ab ^¬ stand des Blechs zum Werkzeug vorliegt. Ein sehr geringer Ab ^¬ stand im Sinne der Erfindung ist weniger als 0,5 mm.

Erfindungsgemäß sollen Mikrorisse zweiter Ordnung vermieden werden, wobei ein möglichst großes Arbeitsfenster hinsichtlich Material und Temperatur erhalten bleibt und die Umsetzung kos ^¬ tengünstig ist. Bei mindestens gleicher Durchlaufzeit soll keine Takt zeiterhöhung bzw. Durchsatzreduktion bei der Bau ^¬ teilherstellung resultieren.

Erfindungsgemäß wird bei den zugbelasteten Bereichen (Deh ^¬ nungsrandfaser) der auftretende Zinkdampf entweder durch Gas ^¬ ströme (Konvektion) abgeführt bzw. abgeblasen oder ausreichend verdünnt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann durch Zutritt von Fluiden Zink rasch in eine stabile Verbindung wie Zinkoxid oder ZnJ2 umgewandelt werden. Des Weiteren kann der Schutz des Stahls gegen Mikrorisse zweiter Ordnung auch durch Erzeugung einer Schutzschicht wie zB Oxidschicht, mittels Zuführen eines Fluids erreicht werden. Alle beschriebenen Maßnahmen haben je ^¬ weils gezeigt, dass Mikrorisse deutlich reduziert werden.

Besonders bevorzugt sind gasförmige sauerstoffhaltige Fluide wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, da diese das Werkzeug nicht über Gebühr verunreinigen können bzw. auch eine allfäl ^¬ lige unerwünschte massive Kühlwirkung wie durch bsp. Wasser durch Temperierung des Fluids leichter reguliert werden kann.

Die Vermeidung der Mikrorisse zweiter Ordnung wird hierbei dadurch gewährleistet, dass im Bereich der positiven Radien, d.h. im Bereich der Ziehkanten der Matrize und/oder der Patri- ze in Ziehrichtung anschließend an die Ziehkante oder andere Kontaktbereiche außerhalb der positiven Radien/Ziehkante eine Freisparung vorhanden ist, welche so dimensioniert ist, dass einerseits das Tiefziehen nicht beeinträchtigt wird oder die Platine bzw. das Werkstück wellig wird und andererseits so di ^¬ mensioniert ist, dass der Wärmeabfluss , der für die Härtung notwendig ist, ebenfalls nicht maßgeblich beeinträchtigt wird. Die Freisparungen sind aber so bemessen, dass sie ein Reser ^¬ voir für Sauerstoff derart darstellen, dass ausreichend Sauer ^¬ stoff an die sich ziehende Platine bzw. das Material gelangt, um freiwerdende Zinkphasen oder Zinkeisenphasen zur Oxidation mit Sauerstoff zu versorgen.

Die Freisparung wirkt als Fluidreservoir insbesondere für Sau ^¬ erstoff, dieses Reservoir kann aber auch andere Fluide enthal ^¬ ten, wie Wasser oder auch Stickstoff. Falls diese mit einem Edelgas gefüllt sind oder auch insbesondere kontinuierlich da- mit gespült werden, wirken diese nicht durch Oxidation sondern durch Verdünnung bzw. Abführung des auftretenden Zinkdampfes.

Gegebenenfalls können die Freisparungen werkzeugseitig vor- teilhaft während der Umformung kontinuierlich mit Sauerstoff enthaltenden Fluiden gespeist werden, zum Beispiel durch ge ^¬ eignete Zutrittsöffnungen, wobei sich vorteilhaft ein Strö ^¬ mungskissen ausbilden kann. Zudem kann der Werkzeughohlraum nach dem Ausformen eines Werkstücks und vor dem Einlegen einer weiteren Platine mit einem insbesondere sauerstoffhaltigen Fluid gespült werden, welches dann in den Freisparungen vor ^¬ handen ist. Beispiele für ein sauerstoffhaltiges Fluid ist Luft als auch Wasser d.h. diese können flüssig als auch gas ^¬ förmig zugeführt werden.

Es hat sich gezeigt, dass diese Freisparungen, auch wenn sie nur eine vergleichsweise geringfügige Ausdehnung haben, die Bildung von Mikrorissen zweiter Ordnung wirkungsvoll durch Oxidation der Zinkphasen oder Zinkeisenphasen unterbinden.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläu ^¬ tert. Es zeigen dabei:

Figur 1 den Werkzeugbereich, benachbart zu einer Ziehkante mit einer erfindungsgemäßen Freistellung;

Figur 2 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer wei ^¬ teren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freistellung; Figur 3 den Ziehkantenbereich eines Werkzeuges mit einer er ^¬ findungsgemäßen Schlitzanordnung in einer teilgeschnittenen Seitenansicht ;

Figur 4 die Anordnung nach Figur 3 in einer Draufsicht. Der Ziehkantenbereich 1 bzw. Bereich eines positiven Radius 1 ist an einem Formwerkzeug angeordnet und besitzt zwei werk- stückseitige Flächen 3, 4, welche sich im Bereich einer Zieh- kante oder eines positiven Radius 2 treffen.

In einer, der Ziehkante 2 in Ziehrichtung nachfolgenden Fläche 4 ist eine erfindungsgemäße Freisparung 5 angeordnet. Die Freisparung 5 ist dabei so dimensioniert, dass die verbleiben- de Dicke der Ziehkante 2 zwischen der Fläche 3 und der Freis ^¬ parung 5 in etwa ihrem Radius entspricht, um eine ausreichende Stützwirkung für das zu ziehende Material zu bieten.

Selbstverständlich können weitere Freisparungen vorgesehen sein, welche an Kontaktbereichen des Bleches mit dem Werkzeug angebracht sind, wobei sich diese Kontaktbereiche über einen maximalen Abstand des Bleches zum Werkzeug von ca. 0,5 mm de ^¬ finieren .

Die Freisparung 5 besitzt zwischen der Ziehkante 2 und der Fläche 4 eine Höhe, die in etwa 25 bis 35 mm beträgt, bei ei ^¬ ner Tiefe von 5 bis 9 mm.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Figur 2) ist anstelle einer großflächigeren Freisparung 5 benachbart zur Ziehkante 2, und diese in bereits beschriebener Stärke belas ^¬ send, in die Fläche 4 eine Nut 6 eingebracht. Die Nut 6 be ^¬ sitzt dabei eine Höhe zwischen der Fläche 4 und der Ziehkante 2, die in etwa 8 bis 12 mm beträgt, bei einer Tiefe von 5 bis 9 mm.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist anstelle einer durchge ^¬ henden Freisparung 5 im Bereich der Wandung 4 benachbart zur Ziehkante 2 eine Mehrzahl von in Ziehrichtung verlaufenden Nu ^¬ ten 7 vorhanden, wobei die Nuten 7 bzw. Schlitze 7 beispiels- weise eine Schlitzbreite von 4 bis 8 mm und einen Schlitzab ^¬ stand von 7 bis 11 mm besitzen, so dass die verbleibenden Ste ^¬ ge eine Breite von 1 bis 5 mm besitzen. Die Nuten 7 bzw. Schlitze 7 besitzen hier ebenfalls eine Tiefe von 5 bis 9 mm.

Es hat sich überraschend herausgestellt, dass bei den vorge ^¬ nannten Geometrien die relativ geringe Fluidmenge innerhalb der Freisparungen 5, 6, 7 gegebenenfalls auch trotz der Stege 4 ausreicht, um die Bildung von Mikrorissen zweiter Art wir- kungsvoll durch die zur Verfügungstellung von Sauerstoff zu unterbinden .

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform (nicht gezeigt) können die Freisparungen 5, die Nut 6, die Schlitze 7 rückseitig, d.h. vom Werkzeug her, mittels Zuführungen und entsprechend gebohrter Leitungen mit einem sauerstoffhaltigen Fluid ver ^¬ sorgt werden, um gegebenenfalls den Sauerstoffpartialdruck im Bereich der Freisparungen 5, Nuten 6 und Schlitze 7 noch zu erhöhen .

Um bei kontinuierlichen Prozessen den Sauerstoffgehalt inner ^¬ halb dieser Freisparungen 5, Nuten 6 und Schlitze 7 auf einem hohen Niveau zu halten, kann auch der Formhohlraum mit einem sauerstoffhaltigen Fluid so gespült werden, dass jederzeit ge- nug Sauerstoffreservoir in den Freistellungen 5, Nuten 6 und Schlitzen 7 gegeben ist.

Neben dem 22MnB5 finden auch - vor allem beim direkten Press- härteprozess - der 20MnB8, 22MnB8 und andere Mangan-Bor-Stähle Anwendung.

Für die Erfindung sind somit Stähle dieser Legierungszusammen ^¬ setzung geeignet (alle Angaben in Masse-%) : Si Mn AI Cr Ti B N

0,20 0,18 2,01 0,0062 0,001 0,054 0,03 0,032 0,0030 0,0041 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.

Für die Erfindung sind auch Stähle der allgemeinen Legierungs ^¬ zusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%) :

Kohlenstoff (C) 0 08-0, 6

Mangan (Mn) 0,8-3, 0

Aluminium (AI) 0, 01-0, 07

Silizium (Si) 0, 01-0, 8

Chrom (Cr) 0, 02-0, 6

Titan (Ti) 0, 01-0, 08

Stickstoff (N) < 0, 02

Bor (B) 0, 002-0, 02

Phosphor (P) < 0,01

Schwefel (S) < 0,01

Molybdän (Mo) < 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnungen wie folgt (alle Angaben in Masse-%) :

Kohlenstoff (C) 0, 08-0,35

Mangan (Mn) 1, 00-3, 00

Aluminium (AI) 0,03-0,06

Silizium (Si) 0, 01-0,20

Chrom (Cr) 0, 02-0, 3

Titan (Ti) 0, 03-0, 04

Stickstoff (N) < 0, 007 Bor (B) 0,002-0,006 Phosphor (P) < 0,01

Schwefel (S) < 0,01

Molybdän (Mo) < 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.