SCHMITZ, Kai (Remscheider Straße 19, Wermelskirchen, 42929, DE)
GRÜNEKLEE, Axel (Tölzer Straße 37, Duisburg, 47249, DE)
SIKORA, Sascha (Friedrich-Wilhelm-Weber-Straße 25, Lünen, 44534, DE)
SCHMITZ, Kai (Remscheider Straße 19, Wermelskirchen, 42929, DE)
GRÜNEKLEE, Axel (Tölzer Straße 37, Duisburg, 47249, DE)
| Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugbauteils, bei dem ein Stahlteil (16, 104) warmumgeformt und zumindest abschnittsweise durch den Kontakt mit einer Werkzeugoberfläche (14) gehärtet wird, bei dem das Stahlteil (16, 104) während des Härtens in mindestens zwei Teilbereichen (152, 154, 162, 164) mit voneinander verschiedenen Kühlraten gekühlt wird, so dass sich die Teilbereiche (152, 154, 162, 164) nach dem Härten in ihrer Gefügestruktur unterscheiden, 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 voneinander verschiedenen Kühlraten durch zu den Teilbereichen (152, 154, 162, 164) des Stahlteils (16, 104) korrespondierende Sektionen (32, 34, 36, 38, 66, 68, 70, 72) der Werkzeugoberfläche (14) bewirkt werden, welche sich in ihrer Wärmeleitfähigkeiten voneinander unterscheiden . 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 Werkzeug (30, 64) im Bereich der mindestens zwei Sektionen (32, 34, 36, 38, 66, 68, 70, 72) der Werkzeugoberfläche (14) aus verschiedenen Werkstoffen mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten besteht. 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 die Sektionen (32, 34, 36, 38, 66, 68, 70, 72) aus Stählen, Stahllegierungen und/oder Keramiken bestehen. 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 mindestens eine der zwei Sektionen (32, 34, 36, 38, 66, 68, 70, 72) der Werkzeugoberflache (14) eine Wärmeleitfähigkeitsreduzierende oder -erhöhende Oberflächenbeschichtung aufweist . Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugbauteils , bei dem ein Stahlteil (16, 104) erwärmt wird, bei dem das erwärmte Stahlteil (16, 104) durch eine Abkühlung in einem Werkzeug (2, 30, 64) mindestens teilweise gehärtet wird, wobei das Stahlteil (16, 104) nach dem Härten mindestens zwei Teilbereiche (152, 154, 162, 164) mit unterschiedlicher Gefügestruktur 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 Stahlteil (16, 104) vor dem Härten in einem mindestens zwei Bereiche (92, 94, 96) aufweisenden Chargenofen (90, 114) temperiert wird, wobei die Bereiche (92, 94, 96) voneinander verschiedene Temperaturen aufweisen . Verfahren nach Anspruch 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 zusätzlich ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchgeführt wird. 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 Stahlteil (16, 104) vor dem Temperieren im Chargenofen (90, 114) in einem zweiten Ofen, insbesondere einem Durchlaufofen, erwärmt wird. 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 Stahlteil (16, 104) in einem Presswerkzeug gehärtet wird . 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 der Chargenofen (90, 114) mindestens einen Bereich (92) mit einem Temperaturgradienten aufweist. 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 Stahlteil (16, 104) in mindestens einem Teilbereich (152, 154, 162, 164) des Chargenofens durch ansteuerbare Gasdüsen (124), insbesondere mit Stickstoff, gekühlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 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 das Stahlteil (16, 104) direkt oder indirekt warmumgeformt und/oder pressgehärtet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 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 mindestens eine Grenze zwischen den Teilbereichen (152, 154, 162, 164) quer oder schräg zu größten Längserstreckung des Stahlteils (16, 104) und/oder nicht linear verläuft. 13. 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 als Stahlteil (16, 104) ein Halbzeug, insbesondere ein Tailored-Blank, ein Tailored-Welded-Blank, ein Patchwork- Blank oder ein Tailored-Rolled-Blank, oder eine zugeschnittene Platine verwendet wird. 14. 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 ein Stahlteil (16, 104) aus MBW 1500, MBW 1700 oder MB 1900, vorzugsweise in Kombination mit einem mikrolegierten Stahl, beispielsweise MHZ 340, und/oder aus einem mikrolegierten Stahl, beispielsweise MHZ 340, verwendet wird. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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 Stahlteil (16, 104) eine organische Beschichtung, insbesondere einen Verzunderungsschutz , vorzugsweise einen lösemittel- oder wasserbasierten, ein-, zwei- oder mehrkomponentigen Verzunderungsschutz , und/oder eine anorganische Beschichtung, vorzugsweise eine Aluminiumoder Aluminium-Silizium-basierende Beschichtung, insbesondere eine feueraluminierte Beschichtung, und/oder einer Zink-basierende Beschichtung, aufweist. 16. Verwendung eines Metallbauteils, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 15, in einem Kraftfahrzeug, insbesondere als A-, B- oder C-Säule, Seitenwand, Dachrahmen oder Längsträger. 17. Werkzeug zum Warmumformen und Härten von Stahlteilen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, 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 mit dem Stahlteil (16, 104) in Kontakt tretende Werkzeugoberfläche (14) mehrere Sektionen (32, 34, 36, 38, 66, 68, 70, 72) aufweist, welche sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit unterscheiden . 18. Werkzeug nach Anspruch 17, 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 mindestens eine der Sektionen (32, 34, 36, 38, 66, 68, 70, 72) eine Wärmeleitfähigkeitsreduzierende oder - erhöhende Oberflächenbescnichtung (74, 76, 78) aufweist. 19. Werkzeug nach Anspruch 17 oder 18, 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 Sektionen (32, 34, 36, 38, 66, 68, 70, 72) aus verschiedenen Werkstoffen, insbesondere Stählen, Stahllegierungen und/oder Keramiken, mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten bestehen . 20. Werkzeug nach einem der Ansprüche 17 bis 19, 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 mit dem Stahlteil (16, 104) in Kontakt tretende Werkzeugoberfläche (14) zumindest teilweise auf verschiedenen austauschbaren Segmenten (52a-r) und/oder Werkzeugeinsätzen des Werkzeugs (2, 30, 64) angeordnet ist . 21. Chargenofen zum Erwärmen eines Stahlteils für ein Warmumformverfahren und/oder Presshärtverfahrens, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, 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 der Chargenofen (90, 114) mindestens zwei Bereiche (92, 94, 96) aufweist, in denen voneinander verschiedene Temperaturen eingestellt werden können. 22. Chargenofen nach Anspruch 21, 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 mindestens ein Bereich (92, 94, 96) des Chargenofens (90, 114) ansteuerbare Gasdüsen (124) zur Kühlung, insbesondere mit Stickstoff, aufweist. |
Metallbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugbauteils, bei dem ein Stahlteil warmumgeformt und zumindest abschnittsweise durch den Kontakt mit einer Werkzeugoberfläche gehärtet wird und bei dem das Stahlteil während des Härtens in mindestens zwei Teilbereichen mit voneinander verschiedenen Kühlraten gekühlt wird, so dass sich die Teilbereiche nach dem Härten in ihrer Gefügestruktur unterscheiden. Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeug und einen Chargenofen zur Herstellung eines solchen Metallbauteils.
Warmumgeformte Metallbauteile finden in der
Automobilindustrie, insbesondere bei Crash relevanten, hohen Querbeanspruchungen ausgesetzten Bereichen der Karosserie weit verbreitete Anwendung. So werden B-Säulen bzw. B- Säulenverstärkungen häufig aus hochfestem, warmumgeformtem Mangan-Borstahl gefertigt. Durch die Verarbeitung solcher Werkstoffe in einem Warmumformprozess können hohe Streck- und Zugfestigkeiten im Bauteil erreicht werden, so dass die notwenige Blechdicke gegenüber konventionell hergestellten Stahlbauteilen deutlich reduziert werden und somit ein
Beitrag zum Leichtbau und damit zur C02-Reduktion erzielt werden kann. Der Nachteil vollständig warmumgeformter
Metallbauteile liegt darin, dass die Bruchdehnung eines warmumgeformten Metallbauteils relativ gering ist. Daher können warmumgeformte Metallbauteile zwar gut in
querbeanspruchten Bereichen eingesetzt werden, da hier die hohen Festigkeiten, insbesondere die Streckgrenze, ein
Knicken des Metallbauteils vermeidet. Bei längsbeanspruchten Metallbauteilen, wie beispielsweise Längsträgern, können warmumgeformte Metallbauteile jedoch nicht eingesetzt werden, da die geringe Bruchdehnung kein regelmäßiges Falten der
Metallbauteile erlauben würde und ein Werkstoffversagen bei einer relativ niedrigen Energieaufnahme die Folge wäre.
In der DE 102 56 621 B3 wird eine Platine in einem
Durchlaufofen unterschiedlich erwärmt, so dass sich aufgrund der verschiedenen Werkstofftemperaturen nach der Umformung verschiedene Festigkeiten im Metallbauteil ergeben. Bei diesem Verfahren wird die Platine im Durchlauf in zwei
Ofenkammern unterschiedlich temperiert, so dass sich
unterschiedliche Gefügebereiche im Härteprozess einstellen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass nur zwei bis drei unterschiedliche Zonen bezüglich der Festigkeit und der
Bruchdehnung im Metallbauteil zu erzielen sind. Diese können darüber hinaus auch nur in Durchlaufrichtung der Platine ausgebildet werden. Die Durchlaufrichtung eines Stahlteils bzw. einer Platine entspricht in der Regel der größten
Längserstreckung des Stahlteils bzw. der Platine.
Mit dem Ziel, warmumgeformte Metallbauteile auch in
längsbeanspruchten Bereichen einzusetzen, offenbart die
DE 10 2006 019 395 AI eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umformen von Platinen aus höher und höchstfesten Stählen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug zur Warmumformung Mittel zur Temperierung aufweist, mit denen ein Stahlteil in verschiedenen Temperaturzonen während des Umformens auf verschiedene, vorgegebene Temperaturwerte temperiert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Gefügestruktur im Metallbauteil lokal zu beeinflussen, so dass Metallbauteile mit ortsabhängigen Materialeigenschaften herstellbar sind. Unter ortsabhängigen Materialeigenschaften wird verstanden, dass sich die Materialeigenschaften in mindestens zwei Teilbereichen des Metallbauteils
unterscheiden. Die verschiedenen Gefügearten werden durch unterschiedliche Abkühlraten des Materials erreicht. Die Umformwerkzeuge mit den Mitteln zur Temperierung sind jedoch relativ aufwendig herzustellen und daher kostenaufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metallbauteils zur Verfügung zu stellen, welches eine lokale Einstellung des Gefüges im Metallbauteil erlaubt und gleichzeitig kostengünstig und einfach durchzuführen ist.
Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die voneinander verschiedenen Kühlraten durch zu den Teilbereichen des Stahlteils korrespondierende Sektionen der Werkzeugoberfläche bewirkt werden, welche sich in ihrer
Wärmeleitfähigkeiten voneinander unterscheiden.
Es wurde erkannt, dass die Abkühlung des Stahlteils in dem Umformwerkzeug stark durch die Wärmeleitfähigkeit der
Umformwerkzeugoberfläche beeinflusst wird. Unter der
Wärmeleitfähigkeit wird dabei insbesondere der
Wärmeleitkoeffizient verstanden. Bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit der angrenzenden
Oberfläche erfolgt eine schnelle Abkühlung des Stahlteils, während bei einer niedrigen Leitfähigkeit das Stahlteil langsamer abgekühlt wird. Aufgrund der Einstellung der
Abkühlrate durch die Wärmeleitfähigkeit der
Werkzeugoberfläche lässt sich die Zahl der
Temperierungselemente, d.h. der Heiz- oder Kühlelemente reduzieren, so dass sich eine Kostenersparnis ergibt.
Weiterhin kann auf eine ungleichmäßige Anordnung bzw. eine notwendige Ansteuerbarkeit der Temperierungselemente
verzichtet werden. Auch hieraus ergibt sich eine
Kostenreduzierung .
Durch die verschiedenen Abkühlraten wird im Stahlteil bzw. im hergestellten Metallbauteil das Vorhandensein verschiedener Gefügearten bewirkt. Beträgt die Kühlrate in einem
Teilbereich des Metallbauteils mehr als 27 K/s, ergibt sich dort ein vorwiegend martensitisches Gefüge mit einer hohen Festigkeit und geringer Bruchdehnung. Bei einer geringeren Abkühlrate entsteht ein ferritisch-bainitisches Gefüge mit einer mittleren Festigkeit und einer mittleren Bruchdehnung, ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit einer geringen
Festigkeit und einer hohen Bruchdehnung oder ein Gemisch daraus. Ferritisch-bainitische und ferritisch-perlitische Gefüge weisen eine Zugfestigkeit unterhalb von 860 MPa auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das Werkzeug im Bereich der mindestens zwei Sektionen der Werkzeugoberfläche aus verschiedenen
Werkstoffen mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten. Durch die Wahl verschiedener Werkstoffe kann auf einfache Weise die Wärmeleitfähigkeit der Werkzeugoberfläche beeinflusst werden. Insbesondere sind auf diese Weise benachbarte Sektionen mit stark unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten herstellbar. Die Zahl der Sektionen ist generell natürlich nicht auf zwei beschränkt, sondern kann beliebig groß sein. Bevorzugt werden mindestens drei Sektionen vorgesehen, so dass sich im
Metallbauteil drei Teilbereiche mit unterschiedlichen
Gefügearten bzw. Festigkeiten einstellen, wobei mindestens ein Teilbereich ein überwiegend martensitisches Gefüge und mindestens zwei weitere Teilbereiche überwiegend ferritisch- bainitisches und/oder ferritisch-perlitisches Gefüge
aufweisen .
Eine besonders günstige Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig ausreichender Stabilität für den Einsatz in einem Werkzeug wird in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Sektionen aus Stählen,
Stahllegierungen und/oder Keramiken bestehen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mindestens eine der zwei Sektionen der Werkzeugoberfläche eine
Wärmeleitf higkeitsreduzierende oder -erhöhende
Oberflächenbeschichtung auf. Auf diese Weise wird die
Wärmeleitung der Werkzeugoberfläche durch die
Oberflächenbeschichtung modifiziert. Dies erlaubt sehr komplexe und lokale Änderungen der Wärmeleitfähigkeit und somit die Herstellung von Metallbauteilen mit komplexer und lokal variierender Gefügestruktur. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass eine Beschichtung einer
Werkzeugoberfläche leicht nachzurüsten und/oder zu verändern ist. So können mit einem Werkzeug durch Änderung der
Beschichtung Metallbauteile mit verschiedenen angepassten Gefügestrukturen hergestellt werden. Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung kann die oben genannte Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils, insbesondere eines
Kraftfahrzeugbauteils, bei dem ein Stahlteil erwärmt wird, bei dem das erwärmte Stahlteil durch eine Abkühlung in einem Werkzeug mindestens teilweise gehärtet wird, wobei das
Stahlteil nach dem Härten mindestens zwei Teilbereiche mit unterschiedlicher Gefügestruktur aufweist, dadurch gelöst werden, dass das Stahlteil vor dem Härten in einem mindestens zwei Bereiche aufweisenden Chargenofen temperiert wird, wobei die Bereiche voneinander verschiedene Temperaturen aufweisen.
Unter einem Chargenofen wird ein Ofen verstanden, in dem das zu erwärmende Stahlteil während des Erwärmungsvorgangs im Wesentlichen nicht bewegt wird. Der Chargenofen steht damit im Gegensatz zum Durchlaufofen, bei dem das Stahlteil während des Erwärmens kontinuierlich durch den Ofen bewegt wird.
Es ist erkannt worden, dass eine Beeinflussung der
Gefügestruktur im herzustellenden Metallbauteil auf einfache Weise dadurch erreicht werden kann, dass das Stahlteil vor dem Härten in einem Chargenofen lokal auf verschiedene
Temperaturen temperiert wird. Die sich daraus ergebenen lokal variierenden Temperaturdifferenzen zur Oberfläche des
Härtwerkzeugs führen zu unterschiedlichen
Abkühlgeschwindigkeiten und daher zur Ausbildung
verschiedenartiger Gefügestrukturen im Stahlteil bzw.
Metallbauteil. Weiterhin kann durch eine lokale Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur und das
nachfolgende Abkühlen im Härtwerkzeug gezielt ein ferritisch- perlitisches Gefüge erzeugt werden. Das Verfahren hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren den Vorteil, dass die Temperaturen des Stahlteils vor dem Härten sehr lokal und ohne
Richtungsbeschränkung eingestellt werden können. Insbesondere ist mit diesem Verfahren eine Vielzahl verschiedener
Sektionen mit voneinander verschiedenen Temperaturen möglich. Weiterhin kann auf den Einsatz kostenaufwändiger
Umformwerkzeuge mit ungleichmäßig angeordneten oder
angesteuerten Temperierungsmitteln verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird
zusätzlich ein Verfahren gemäß der ersten Lehre der
vorliegenden Erfindung durchgeführt. Durch die Kombination der ersten Lehre mit der zweiten Lehre der Erfindung, lässt sich der Effekt auf die Gefügestruktur des Metallbauteils verstärken, so dass beispielsweise stark unterschiedliche Gefügestrukturen in benachbarten Teilbereichen des
Metallbauteils hergestellt werden können. Bevorzugt
entspricht die Anordnung der Bereiche des Chargenofens der Anordnung der Sektionen der Werkzeugoberfläche. Es sind jedoch auch voneinander abweichende Anordnungen denkbar.
Eine effizientere Erwärmung bzw. Temperierung des Stahlteils wird in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, dass das Stahlteil vor dem Temperieren im Chargenofen in einem zweiten Ofen, insbesondere in einem Durchlaufofen, erwärmt wird. In diesem zweiten Ofen kann insbesondere eine homogene Erwärmung, vorzugsweise auf eine Temperatur im
Bereich oder oberhalb der Austenitisierungstemperatur bzw. der ÄC3~Temperatur durchgeführt werden. Bei der Temperierung im Chargenofen können die Teilbereiche des Stahlteils dann auf die Zieltemperaturen für den nachfolgenden Härtevorgang erwärmt bzw. gekühlt werden. Dabei erfolgt insbesondere die Kühlung vorzugsweise derart, dass es noch nicht zu einer vorzeitigen Härtung des Stahlbauteils kommt. Der zweite Ofen kann insbesondere als Durchlaufofen ausgebildet sein. Auf diese Weise wird eine schnelle und kontinuierliche
Bereitstellung der Metallbauteile für den Chargenofen
ermöglicht .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Stahlteil in einem Presswerkzeug gehärtet. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Vergütung des Stahlteils
erreichen. Das Härten des Stahlteils erfolgt vorzugsweise unmittelbar nach der Temperierung im Chargenofen, um ein Angleichen der verschieden temperierten Teilbereiche durch die Wärmeleitung des Stahlteils zu vermeiden.
Ein kontinuierlicher Verlauf der Materialeigenschaften im Metallbauteil wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens dadurch erreicht, dass der Chargenofen mindestens einen Bereich mit einem Temperaturgradienten aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Stahlteil in mindestens einem Teilbereich des Chargenofens durch ansteuerbare Gasdüsen, insbesondere mit Stickstoff, gekühlt.
Durch die Kühlung mittels der Gasdüsen werden auf einfachste Weise die Bereiche mit voneinander verschiedenen Temperaturen im Chargenofen realisiert. Insbesondere kann die Zahl an Heizelementen reduziert werden. Weiterhin ist durch die
Ansteuerbarkeit der Gasdüsen eine flexible Einstellung der Temperaturen im Chargenofen möglich. So können durch die Ansteuerungen verschiedene Bereiche für verschiedenartige Metallbauteile eingestellt werden. Die ansteuerbaren Gasdüsen können alternativ zu ansteuerbaren Heizelementen oder in Kombinationen mit diesen eingesetzt werden. Als bevorzugtes Kühlgas wird Stickstoff verwendet, da dies preisgünstig und inert ist.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind sowohl auf die erste Lehre als auch auf die zweite Lehre der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stahlteil direkt oder indirekt
warmumgeformt und/oder pressgehärtet. Auf diese Weise wird eine große Flexibilität bei der Durchführung des
Herstellungsverfahrens ermöglicht. Bei einer indirekten
Warmumformung wird das Stahlteil in mindestens zwei Schritten umgeformt, bevorzugt zunächst durch eine Kaltumformung und dann durch eine Warmumformung. Bei einer direkten
Warmumformung erfolgt die Umformung hingegen in einem
einzigen Warmumformschritt. Die indirekte Warmumformung kann besonders bei hohen Ziehtiefen vorteilhaft sein.
Eine besonders flexible Gestaltung des Metallbauteils wird in einer weiteren Ausführungsform dadurch erreicht, dass mindestens eine Grenze zwischen den Teilbereichen quer oder schräg zur größten Längserstreckung des Stahlteils und/oder nicht linear verläuft. Das Verfahren erlaubt mithin eine im Wesentlichen beliebige Einstellung der Teilbereichsgrenzen zueinander. Die Grenzen zwischen den Teilbereichen sind weiterhin bevorzugt außerhalb von Fügebereichen des
Stahlteils angeordnet, um eine Beeinträchtigung von Fügeverbindungen, insbesondere Schweißnähten, durch den
Übergangsbereich im Bereich einer Grenze zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird als Stahlteil ein Halbzeug, insbesondere ein Tailored-Blank, ein Tailored-Welded-Blank, ein Patchwork- Blank oder ein Tailored-Rolled-Blank, oder eine
zugeschnittene Platine verwendet. Das Verfahren erlaubt folglich eine maximale Flexibilität bei der Herstellung eines Metallbauteils mit ortsabhängigen Materialeigenschaften.
Unter einem Tailored-Blank wird eine Blechplatine verstanden, welche aus verschiedenen Werkstoffgüten und/oder Blechdicken zusammengesetzt ist. Bei einem Tailored-Welded-Blank sind verschiedene Blechplatinen aneinander geschweißt. Ein
Tailored-Rolled-Blank weist durch ein flexibles Walzverfahren hergestellte unterschiedliche Blechdicken auf. Ein Patchwork- Blank besteht aus einer Platine, auf welche flickenartig weitere Bleche gefügt sind. Sehr gute Materialeigenschaften des Metallbauteils werden in einer bevorzugten
Ausführungsform dadurch erreicht, dass ein Stahlteil aus Mangan-Borstahl, insbesondere MBW 1500, MBW 1700 oder
MBW 1900, vorzugsweise in Kombination mit einem
mikrolegierten Stahl, beispielsweise MHZ 340, und/oder aus einem mikrolegierten Stahl, beispielsweise MHZ 340, verwendet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist das Stahlteil eine organische Beschichtung,
insbesondere eine Lackbeschichtung, z.B. einen
Verzunderungsschutz, vorzugsweise einen lösemittel- oder wasserbasierten, ein-, zwei- oder mehrkomponentigen
Verzunderungsschutz auf. Alternativ oder zusätzlich kann das Stahlteil eine anorganische Beschichtung, vorzugsweise eine Aluminium- oder Aluminium-Silizium-basier ' ende Beschichtung, insbesondere eine feueraluminierte Beschichtung (fal), und/oder eine Zink-basierende Beschichtungaufweisen . Auf diese Weise ist eine Funktionalisierung der Oberfläche des Metallbauteils möglich, so dass die Materialeigenschaften noch flexibler angepasst werden können.
Die technische Aufgabe wird gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Verwendung eines
Metallbauteils, hergestellt nach einem der zuvor
beschriebenen Verfahren, in einem Kraftfahrzeug, insbesondere als A-, B- oder C-Säule, Seitenwand, Dachrahmen oder
Längsträger, gelöst. Durch die flexibel und lokal
einstellbaren Materialeigenschaften der Metallbauteile können diese optimal an die Belastungen in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur Verbesserung des Crashverhaltens, angepasst werden . Die technische Aufgabe wird gemäß einer vierten Lehre der vorliegenden Erfindung bei einem Werkzeug zum Warmumformen und Härten von Stahlteilen, insbesondere zur Durchführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mit dem Stahlteil in Kontakt
tretende Werkzeugoberfläche mehrere Sektionen aufweist, welche sich in ihren Wärmeleitfähigkeiten unterscheiden.
Durch diese verschiedenen Sektionen werden auf einfache Weise verschiedene Kühlraten bei der Härtung eines Stahlteils und somit verschiedene Gefügearten im hergestellten Metallbauteil erreicht. Insbesondere kann die Zahl der Temperierungselemente, z.B. die Zahl der Heizelemente in dem Werkzeug reduziert werden.
Der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit kann in einer bevorzugten Ausführungsform des Werkzeugs dadurch erreicht werden, dass die Sektionen aus verschiedenen Werkstoffen, insbesondere Stählen, Stahllegierungen und/oder Keramiken, mit verschiedenen Wärmeleitf higkeiten bestehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die mit dem Stahlteil in Kontakt tretende Werkzeugoberfläche zumindest teilweise auf verschiedenen austauschbaren Segmenten und/oder Werkzeugeinsätzen des Werkzeugs angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, die austauschbaren Segmente oder
Werkzeugeinsätze im Werkzeug flexibel an- bzw. umzuordnen, so dass mit einem Werkzeug Metallbauteile mit verschiedenen Gefügeanordnungen und folglich mit verschiedenen
Eigenschaften hergestellt werden können. Eine einfache Realisierung der verschiedenen
Wärmeleitfähigkeiten wird in einer weiteren Ausführungsform des Werkzeugs dadurch erreicht, dass mindestens eine der Sektionen eine wärmeleitfähigkeitreduzierende oder -erhöhende Oberflächenbeschichtung aufweist. Auf diese Weise können insbesondere sehr lokale Änderungen der Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Weiterhin kann die Oberflächenbeschichtung entfernt und bedarfsgerecht neu aufgebracht werden.
Die technische Aufgabe wird gemäß einer fünften Lehre der vorliegenden Erfindung weiterhin bei einem Chargenofen zum Erwärmen eines Stahlteils für ein Warmumformverfahren und/oder Presshärtverfahren, insbesondere zur Durchführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Chargenofen mindestens zwei Bereiche aufweist, in denen voneinander verschiedene Temperaturen eingestellt werden können.
Auf diese Weise kann ein Stahlteil auf verschiedene
Temperaturen temperiert werden, so dass bei einem
nachfolgenden Härtvorgang verschiedene Gefügearten im
hergestellten Metallbauteil erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens ein Bereich des Chargenofens ansteuerbare Gasdüsen zur Kühlung auf. Dadurch können die Bereiche mit den verschiedenen
Temperaturen flexibel und einfach realisiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele entnommen werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Werkzeug zur Herstellung eines Metallbauteils aus dem Stand der Technik,
Fig . 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs bzw. Verfahrens,
Fig. 3 zwei weitere Ausführungsbeispiele eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs bzw. Verfahrens, Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs bzw. Verfahrens, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Chargenofens bzw. Verfahrens,
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Chargenofens bzw. Verfahrens,
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 8 ein erstes mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metallbauteil,
Fig. 9 ein zweites mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metallbauteil und
Fig. 10 ein drittes mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metalibauteil.
Fig. 1 zeigt ein Werkzeug zur Herstellung eines
Metallbauteils aus dem Stand der Technik im Längsschnitt. Das Werkzeug 2 ist als Warmumformwerkzeug ausgebildet und weist einen unteren Stempel 4, einen oberen Stempel 6 sowie zwei Flanschschneiden 8 und 10 auf. Die einander zugewandten
Oberflächen 12 und 14 des unteren bzw. oberen Stempels 4, 6 weisen ein Profil auf, welches der Außenkontur des aus einem Stahlteil 16 herzustellenden Metallbauteils entspricht. Im oberen Stempel 6 sind weiterhin Temperierungselemente 18 vorgesehen, mit denen die Temperatur im Bereich der
Oberfläche 14 des oberen Stempels 6 eingestellt werden kann. Vergleichbare Temperierungselemente können auch im unteren Stempel 4 vorgesehen sein. Die Abstände zwischen den
benachbarten Temperierungselementen 18 unterscheiden sich voneinander, so dass die Oberfläche 14 ein ortsabhängiges Temperaturprofil aufweist. Bei den Herstellungsverfahren aus dem Stand der Technik wird das als Platine ausgebildete
Stahlteil 16 zwischen dem auseinandergefahrenen Stempel 4 und 6 angeordnet und der Stempel 6 auf den Stempel 4 abgesenkt. Auf diese Weise wird die Platine gleichzeitig warmumgeformt und erfährt eine Abkühlung mit ortsabhängigen Abkühlraten. Dies führt zu einer entsprechend ortsabhängigen
Gefügeänderung im Stahlteil. Die Flanschbereiche 20 des Stahlteils 16 können durch Senken der Flanschschneiden 8 und 10 beschnitten werden. Durch die ungleichmäßige Anordnung der Temperierungselemente 18 weist das Werkzeug 2 einen
komplizierten Aufbau auf, der insbesondere den Einsatz einer hohen Zahl von Temperierelementen erfordert.
Fig. 2 zeigt nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeugs bzw. Verfahrens im Längsschnitt. Mit der Darstellung in Fig. 1 übereinstimmende Teile sind in dieser und in den folgenden Figuren mit denselben
Bezugszeichen versehen. Das Werkzeug 30 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Werkzeug 2 dadurch, dass der untere Stempel 4 verschiedene Sektionen 32, 34, 36, 38 aufweist, die aus verschiedenen Werkstoffen mit
unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten bestehen. Als
Werkstoffe werden bevorzugt Stähle, Stahllegierungen und/oder Keramiken eingesetzt. Alternativ oder zusätzlich kann auch der obere Stempel 6 aus mehreren Sektionen aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. Die Sektionen können auch lediglich im Bereich der Oberflächen 12 und 14 aus verschiedenen
Werkstoffen bestehen. Durch die unterschiedliche
Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Sektionen 32, 34, 36, 38 kommt es bei der Warmumformung bzw. Härtung eines Stahlteils 16 zu unterschiedlichen Abkühlraten und damit zur Ausbildung verschiedener Gefügestrukturen innerhalb des Stahlteils 16.
Die Figuren 3a und 3b zeigen zwei weitere
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Werkzeugs bzw. Verfahrens im Längsschnitt. In den Figuren ist jeweils ein alternativer unterer Stempel für ein Werkzeug, beispielsweise das in Fig. 2 gezeigte Werkzeug, dargestellt. Der untere Stempel 50 in Fig. 3a besteht aus einer Mehrzahl separater Segmente 52a bis 52p, welche aus verschiedenen Werkstoffen mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten bestehen können. Die gesamte Oberfläche 54 des Stempels 50 weist damit eine ortsabhängige Wärmleitfähigkeit auf, so dass mit einem, diesen Stempel 50 beinhaltenden Werkzeug bei einem
Warmumform- bzw. Härteverfahren unterschiedliche Abkühlraten im Stahlteil bewirkt werden können. Einige oder alle Segmente 52a bis 52p können im Wesentlichen beliebig ausgetauscht oder vertauscht werden. So sind bei dem in Fig. 3b dargestellten unteren Stempel 56 eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs die Segmente 52f und 52 durch andere Segmente 52q und 52r aus einem anderen Werkstoff ersetzt. Weiterhin sind die Segmente 52d und 52e sowie die Segmente 52g und 52h in ihrer Position vertauscht. Abhängig von der Zahl der Segmente und der zur Verfügung stehenden Werkstoffe können so auf einfache Weise die sich in ihren Wärmeleitfähigkeiten unterscheidenden Sektionen der
Oberfläche 54 der unteren Stempel 50, 56 flexibel angepasst werden. Alternativ können natürlich auch der obere Stempel bzw. beide Stempel aus separaten Segmenten bestehen.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Werkzeugs bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Längsschnitt. Bei dem Werkzeug 64 weist die Oberfläche 14 des unteren Stempels 4 Sektionen 66, 68, 70 und 72 auf, von denen die Sektionen 66, 70 und 72 mit
Oberflächenbeschichtungen 74, 76 und 78 beschichtet sind. Die Oberflächenbeschichtungen 74, 76 und 78 reduzieren oder erhöhen die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche 14 in der jeweiligen Sektion. In der unbeschichteten Sektion 68
entspricht die Wärmeleitfähigkeit der des Stempelmaterials. Bei den Oberflächenbeschichtungen kann es sich beispielsweise um Lacke, insbesondere um temperaturbeständige Lacke,
vorzugsweise um hochtemperaturbeständige Lacke, handeln. Bei der Herstellung eines Metallbauteils mit dem Werkzeug 64 bewirken die verschiedenen Besch!chtungen unterschiedliche Abkühlungsraten in dem Stahlteil 16, so dass die
Gefügestruktur ortsabhängig verändert wird. Die
Oberflächenbeschichtungen sind vorzugsweise wieder entfernbar und können flexibel und bedarfsgerecht angepasst werden.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Chargenofens in Aufsicht bzw. ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Chargenofen 90 weist drei Bereiche 92, 94 und 96 auf, die sich in ihren Temperaturen unterscheiden. So kann in dem Bereich 96 beispielsweise eine Temperatur oberhalb der
Austenitisierungstemperatur vorliegen, während die Temperatur im Bereich 94 unterhalb der Austenitisierungstemperatur liegt. Der Bereich 92 weist einen durch einen Pfeil 98 symbolisierten Temperaturgradienten auf, d.h. dass die
Temperatur von der linken Seite 100 zur rechten Seite 102 des Bereichs 92 zunimmt. Durch die ortsabhängigen Temperaturen im Chargenofen 90 wird ein im Chargenofen 90 angeordnetes, als Platine ausgebildetes Stahlteil 104 lokal auf verschiedene Temperaturen erwärmt bzw. gekühlt. Im Änschluss daran wird die Platine in Richtung des Pfeils 106 aus dem Chargenofen zu einem Härtewerkzeug, insbesondere zu einem Presswerkzeug, transportiert. In diesem erfährt die Platine beim Umformen bzw. Härten aufgrund der lokalen unterschiedlichen
Temperaturen unterschiedliche Gefügeübergänge, so dass sich ein Metallbauteil mit ortsabhängiger Gefügestruktur und somit ortsabhängigen Eigenschaften ergibt. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Chargenofens bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Längsschnitt. Der Chargenofen 114 weist
Heizelemente 116 und 118 auf, mit denen die im Chargenofen 114 angeordnete Platine 120 erwärmt wird. Die Platine 120 liegt auf Rollen 122 auf, mit denen sie in Richtung der
Pfeile 123 in den Chargenofen 114 hinein- und herausbefördert werden kann. In dem Heizelement 116 sind Gasdüsen 124 vorgesehen, welche durch eine Leitung 126 mit Gas,
insbesondere Stickstoff, versorgt werden. Die Gasdüsen 124 weisen weiterhin Steuerungen 128 auf, mit denen der durch die Gasdüsen 124 strömende Gasfluss eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Platine im Bereich einer Gasdüse zu kühlen, so dass sich in diesem Bereich des
Chargenofens 114 eine effektiv geringere Temperatur
einstellt. Die Gasdüsen 124 sind vorzugsweise einzeln oder in Gruppen ansteuerbar, so dass das Temperaturprofil der
Bereiche und/oder die Anordnung der Bereiche mit
verschiedenen Temperaturen flexibel wählbar sind. Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm. Bei dem Verfahren 134 wird ein Stahlteil in einem ersten Schritt 136 in einem Ofen auf eine Temperatur im Bereich der
Austenitisierungstemperatur erwärmt. In einem zweiten Schritt 138 wird das Stahlteil dann in einem erfindungsgemäßen
Chargenofen temperiert, so dass das Stahlteil Teilbereiche mit verschiedenen Temperaturen aufweist. In einem dritten Schritt 140, der vorzugsweise unmittelbar an den zweiten Schritt 136 anschließt, wird das Stahlteil in einem Werkzeug warmumgeformt und/oder pressgehärtet. Das Werkzeug zum
Warmformen und/oder Presshärten kann bevorzugt auch als
Werkzeug gemäß der vierten Lehre der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein. Der erste Schritt 136 ist optional und kann auch entfallen.
Fig. 8 zeigt ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metallbauteil 150 in Form einer einteiligen Seitenwand eines Kraftfahrzeugs. Das Metallbauteil 150 weist zwei Teilbereiche 152 und 154 auf, welche bei der Härtung des Metallbauteils 150 verschiedene Temperaturverläufe
durchlaufen haben. Der Teilbereich 152 wurde mit einer hohen Abkühlrate von einer Temperatur oberhalb der
Austenitisierungstemperatur abgekühlt. Er weist dadurch ein vorwiegend martensitisches Gefüge und somit eine große
Festigkeit auf. Der Teilbereich 154 wurde mit einer
geringeren Abkühlungsrate und/oder von einer Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur abgekühlt. Er weist somit ein ferritsch-bainistisch oder ferrisch-perlitisches Gefüge und folglich eine höhere Bruchdehnung auf.
Das in Fig. 9 dargestellte, ebenfalls mit einem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Metallbauteil 160 in Form einer Seitenwand weist eine komplexere Ortsabhängigkeit der Gefügestrukturen auf und ist so besser an die Belastungsbeanspruchungen im Kraftfahrzeug angepasst. Während der Teilbereich 162 vorwiegend martensitisches Gefüge
aufweist, weist der Teilbereich 164, der insbesondere den Fuß der B-Säule 166 sowie ferritsch-perlitisches Gefüge und somit eine höhere Bruchdehnung auf. Diese ist beim Seitenschweiler 168 aufgrund der strukturmechanischen Beanspruchungen beim seitlichen Poletest notwendig, am Fuß der B-Säule 166 ist diese erforderlich, um den bei einem IIHS-Crash auftretenden hohen Deformationen Stand halten zu können. Die dargestellte B-Säule 166 ist aus einem Tailored-Blank aus zwei im
Stumpfstoß gefügten Platinenzuschnitten aus einem Mangan-Bor- und einem mikrolegierten Stahl hergestellt. Im Vergleich zu der in Fig. 8 dargestellten Seitenwand ist die in Fig. 9 gezeigte Seitenwand aufgrund der komplexeren
Teilbereichsanordnung und der entsprechenden komplexeren ortsabhängigen Materialeigenschaften insgesamt besser an die Beanspruchungen im Kfz angepasst. Derartige Metallbauteile können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem
erfindungsgemäßen Werkzeug bzw. Chargenofen günstig und einfach hergestellt werden.
In Fig. 10 ist ein drittes mit einem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestelltes Metallbauteil 170 dargestellt. Das Metallbauteil 170 weist eine nicht linear verlaufende Grenze 173 auf, welche einen ersten Bereich 172 von hoher Festigkeit von einem zweiten Bereich 171 von geringer Festigkeit und hoher Duktilität trennt. Nicht linear verlaufende Grenzen zwischen zwei Bereichen im Sinne der vorliegenden Erfindung können Grenzverläufe die nur teilweise geradlinig oder zumindest teilweise kurvenförmig, also anwendungsspezifisch verlaufen, sein. Das Metallbauteil 170 veranschaulicht, dass die Bereiche mit verschiedenen Materialeigenschaften, beispielsweise verschiedenen Festigkeiten, und/oder die Übergänge zwischen den Bereichen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren individuell eingestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine ideale,
bedarfsgerechte Anpassung der unterschiedlichen
Gefügestrukturen in den herzustellenden Metallbauteilen, insbesondere für den Kraftfahrzeugbau.
Next Patent: VERTICAL ISOTHERMAL SHELL-AND-TUBE REACTOR