Stahlblech

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von partiell gehärteten Bauteilen aus Stahlblech.

Um den steigenden Anforderungen im Fahrzeugbau hinsichtlich der Sicherung der Fahrgastzelle im Crash-Fall als auch zur Gewichtseinsparung gerecht zu werden und der Cθ ₂ -Emission entgegenzuwirken, wird in Fahrzeugen mit zunehmender Tendenz der Einsatz von hochfesten Stählen erforderlich.

Derartige hochfeste Stähle sind beispielsweise Tripstähle oder Mehrphasenstähle, wobei deren Umformbarkeit jedoch teilweise komplexe Bauteile nicht zulässt.

Es ist ferner bekannt, Bauteile aus sogenannten presshärtenden Stählen herzustellen, wobei hierbei ein direktes und ein indirektes Verfahren unterschieden werden. Beim direkten Verfahren wird eine Stahlplatine aufgeheizt und die aufgeheizte Stahlplatine in einem Werkzeug umgeformt und dort auch gleichzeitig abschreckgekühlt und dadurch eine hohe Härte erzielt. Beim indirekten Verfahren wird das Bauteil bereits fertig geformt, anschließend aufgeheizt und das aufgeheizte Bauteil anschließend in einer Matrize abgekühlt. Das indirekte Verfahren lässt gegenüber dem direkten Verfahren komplizierte Geometrien zu, da das Bauteil in einem herkömmlichen, mehrstufigen Umformpro- zess vor dem Härten verarbeitet werden kann, während beim direkten Verfahren nur ein Pressenhub für die Umformung zur Verfügung steht.

Bei dieser sogenannten Abschreckhärtung wird durch sehr rasches Abkühlen mit Geschwindigkeiten über der sogenannten kritischen Härtegeschwindigkeit ein bestimmtes Stahlgefüge quasi "eingefroren", wobei bestimmte innere Spannungszustände im Werkstoff erzeugt werden. Diese inneren Spannungszustände in Verbindung mit diesem Gefüge erzeugen die Härte. Wird ein solcher Stahl über bestimmte Temperaturen hinaus wieder erhitzt und langsam abgekühlt, können die Härte- bzw. die Spannungszustände teilweise bis vollständig wieder beseitigt werden. Gleiches gilt, wenn der Stahl bzw. der Stahlwerkstoff teilbereichsweise nicht abgeschreckt sondern langsamer, d. h. mit einer Geschwindigkeit unter der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt wird.

Bei einem Fahrzeug-Crash kann es vorkommen, dass aufgrund der auftretenden Spannungen, die schwerwiegend auf den Flanschbereich des gehärteten Bauteils einwirken, es zum Versagen des Bauteils durch Einreißen des Bauteilflansches kommt. Bei einigen dieser Bauteile ist eine Einflussnahme auf die Duktilität (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung) sowie bei einigen Teilen auch nur eine bereichsweise Einflussnahme auf die Duktilität der Bauteile daher erforderlich bzw. vorteilhaft.

Aus der DE 197 23 655 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von Stahlblechprodukten bekannt, bei dem ein Stahlblechprodukt in einem Paar gekühlter Werkzeuge geformt wird, solange es heiß wird, und in eine martensitische Struktur gehärtet wird. In den Bereichen, in denen der Stahl bearbeitet werden soll, beispielsweise gestanzt werden soll, soll dieser Stahl im Fluss- Stahlbereich gehalten werden. Hierzu sollen Einsätze in den Werkzeugen verwendet werden, die ein schnelles Abkühlen und dadurch eine martensitische Struktur verhindern.

Aus der DE 20 2008 016 877 Ul ist eine Vorrichtung zum Erzeugen partiell gehärteter Stahlblechbauteile bekannt, wobei in den Kühlschalen zum Kühlen der erhitzten Bauteile werkstück- seitig in den Bereichen, in denen eine verringerte oder keine Härte des Bauteils gewünscht ist, Ausnehmungen in der Oberfläche vorhanden sind und die Ausnehmungen zur Erzeugung eines Gaspolsters während des Pressens der Platine oder des Bauteils über Gaszuführungs- und Gasabführungsbohrungen verfügen.

Durch das Erhöhen der Duktilität bestimmter Teilbereiche des Bauteils können bei einem Crash-Fall auftretende Spannungen gezielter auf das Bauteil verteilt werden, ohne dass das Bauteil in seinem Profilquerschnitt allzu sehr geschwächt wird. Durch das vorbeschriebene partielle Presshärten können z. B. bei einer A-Säule eines Kraftfahrzeuges die Kräfte bei einem seitlichen Aufprall teilweise im unteren Bereich abgefangen werden, ohne hierbei den Fahrgast im oberen Bereich der vollen Wucht auszusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Härte oder Duktilität von insbesondere pressgehärteten Bauteilen auf einem genau definierten und genau lokalisierten Teilbereich zu beeinflussen, ohne den kompletten Teilquerschnitt zu schwächen oder sonst negativ zu beeinflussen.

Die Aufgabe wird mit Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Es ist zudem eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen der Verfahren zu schaffen. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zur Erhöhung der Duktilität in bestimmten Teilbereichen des gehärteten Bauteils induktiv auf dieses Bauteil einzuwirken. Dabei kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in unterschiedlicher Weise induktiv dadurch eingewirkt werden, dass ein im direkten Verfahren umgeformtes und pressgehärtetes Bauteil in einer zweiten Fertigungsstufe maßlich fixiert wird und in den Bereichen, in denen eine erhöhte Duktilität gewünscht ist, in der Form eine Induktionsspule integriert ist, die in diesem Bereich das Bauteil partiell mit Temperaturen zwischen 300 ⁰ C bzw. 400 ⁰ C und 600 ⁰ C erwärmt. Nachdem das Bauteil im Bereich der Induktionsspule die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird die Induktionsspule ausgeschaltet und das Bauteil mittels wassergekühlter Kühlschalen sehr schnell auf Temperaturen unter 300 ⁰ C gekühlt, wonach das Bauteil ohne einen maßlichen Verzug aus der Vorrichtung oder dem Werkzeug entnommen werden kann. Es ist hierbei auch möglich, das Bauteil auf eine Schale aufzulegen und die Induktionsspule von außen auf das Bauteil aufzusetzen und wieder abzuheben. Wesentlich ist, dass das Bauteil ohne maßlichem Verzug mit der Spule partiell erwärmt werden kann.

Darüber hinaus kann auch im indirekten Verfahren gearbeitet werden, wobei das Bauteil vollständig fertig geformt wird, anschließend aufgeheizt wird, in Formhärteformen eingelegt wird, in denen es abgekühlt wird, wobei in den Bereichen, in denen das Bauteil eine höhere Duktilität besitzen soll, im Formhärtewerkzeug Induktionsspulen vorhanden sind, welche Energie in das Bauteil einbringen, so dass das Bauteil an diesen Stellen zumindest weniger rasch abkühlt oder länger auf bestimmten Temperaturen gehalten wird, um eine erhöhte Duktilität zu gewährleisten .

Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass durch das gezielte Einsetzen von Induktoren die Duktilität des Bauteiles partiell sehr genau und zuverlässig eingestellt werden kann.

Dabei ist die Erfindung nicht darauf beschränkt ein gehärtetes Bauteil in bestimmten Bereichen mit duktilen Schichten zu versehen, vielmehr ist auch die kinematische Umkehr möglich, bei denen das Bauteil in bestimmten Bereichen mittels Induktoren auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend abgekühlt wird, wobei zur Erhaltung der Maßhaltigkeit des Bauteils diese Prozesse in einem Werkzeug stattfinden, so dass in dem Werkzeug die Induktoren die Energie auf das Bauteil einbringen und anschließend die Energie insbesondere durch eine Wasserkühlung sehr schnell wieder aus dem Bauteil abgeführt wird.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:

Figur 1: schematisch ein Werkzeug mit zwei Werkzeugschalen, die mit einer schematisch gezeigten Wasserkühlung ausgebildet sind;

Figur 2: das Werkzeug nach Fig. 1 mit in den Werkzeugschalen benachbart zum Bauteil angeordneten Induktionsspulen;

Figur 3: eine Haltevorrichtung für ein Bauteil mit einer auf das Bauteil aufschwenkbaren Induktionsspule oder Kühlschale; Figur 4: das in Fig. 3 behandelten Bauteil mit dem durch die Induktionsspule induktiv erwärmten Anlassbereich;

Figur 5: ein Werkzeug nach Fig. 3, wobei eine Induktionsspule im Werkzeug angeordnet ist und von der Innenseite auf ein Bauteil einwirken kann;

Figur 6: das in Fig. 5 im Werkzeug angeordnete Bauteil mit dem durch die Induktionsspule erwärmten Bereich, wobei ein Kühlbacken gezeigt ist, der mit einer Verschwenk- einrichtung nach Fig. 3 nach dem induktiven Erwärmen an das Bauteil bringbar ist.

In einer ersten Ausführungsform sieht das Verfahren vor, ein Bauteil oder eine Platine 1 in einem vorgeschalteten Ofen auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur, beispielsweise 910 ⁰ C zu erhitzen und im Anschluss im heißen Zustand in einer ersten Fertigungsstufe (Fig. 1) im direkten Verfahren umzuformen und presszuhärten bzw. im indirekten Verfahren in einem Werkzeug 2 das Bauteil 1 einzulegen und dort mittels je einer am Werkzeugoberteil 3 und am Werkzeugunterteil 4 angeordneten Kühl- bzw. Formwerkzeugschale 5, 6 presszuhärten. Die Kühl- bzw. Formhärteschalen 5, 6 sind formschlüssig oder im Wesentlichen formschlüssig an den Formwerkzeughälften 3, 4 angeordnet und besitzen vorzugsweise entsprechende Nuten oder Ausnehmungen 7, 8, welche als Kühlkanäle z.B. mit Wasser durchspült werden.

In einer zweiten Fertigungsstufe (Fig. 2) wird das pressgehärtete Bauteil mittels des Werkzeugoberteils 3 und des Werkzeugunterteils 4 maßlich fixiert. In den Bereichen, in denen eine erhöhte Duktilität des Bauteils gewünscht ist, hier die Flanschbereiche, sind in den Kühlschalen 5, 6 Induktionsspulen 9, 10 angeordnet.

Die Induktionsspulen 9, 10 sind in den Kühlschalen 5, 6 möglichst nah am zu erwärmenden Bauteil 1, beispielsweise in Ein- fräsungen angeordnet, was ermöglicht, dass das Bauteil in diesem Bereich partiell mit Temperaturen zwischen 300 ⁰ C und 600 ⁰ C, je nach gewünschtem Materialgefüge, erwärmt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierbei vor, dass das Bauteil, nachdem es die gewünschte Temperatur durch Induktion erreicht hat, die Induktionsspule ausgeschaltet und das Bauteil mittels den Wasserkühlungen 7, 8 sehr schnell auf eine Temperatur unter 300 ⁰ C abgekühlt wird, wonach das Bauteil dann ohne einen späteren maßlichen Verzug aus der Vorrichtung oder dem Werkzeug entnommen werden kann.

In quasi kinematischer Umkehr dieses Verfahrens kann auch ein Werkzeug analog Fig. 2 verwendet werden, bei dem die Induktionsspulen in den Bereichen angeordnet sind, in denen das Bauteil gehärtet werden soll, während in den Bereichen, die duktil verbleiben sollen, keine Induktionsspulen angeordnet sind oder Induktionsspulen angeordnet sind, die eine geringere Erwärmung oder Erwärmung für eine kürzere Dauer durchführen und damit nur eine Teilaustenitisierung des Bauteils in diesem Bereich erzielen. In diesem Fall sieht das Verfahren vor, das Bauteil in bestimmten Bereichen voll zu austenitisieren und in den anderen Bereichen zu teil- oder nicht zu austenitisieren und nach einer ausreichenden Erwärmung das Bauteil mittels der Wasserkühlungen rasch abzukühlen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Bauteil 1 oder die Platine 1 in einem vorgeschalteten Durchlaufofen austenitisiert und z. B. auf 910 ⁰ C erhitzt und im heißen Zustand in ein Presshärtewerkzeug eingelegt. Im Werkzeug wird das Bauteil mittels der wassergekühlten Kühlschalen pressgehärtet. In den Bereichen, in denen eine erhöhte Duktilität des Bauteils gewünscht ist, ist wie bei der ersten Ausführungsform in der Schale eine Induktionsspule integriert. Die Induktionsspulen 9, 10 werden auch in diesem Fall möglichst nahe am zu erwärmenden Bauteil angeordnet, was ermöglicht, dass die Temperatur des Bauteils in diesem Bereich möglichst nicht unter 300 ⁰ C bis 600 ⁰ C, insbesondere 500°C fällt. In diesem Bereich wird ein bainitisches Materialgefüge angestrebt. In den Bereichen, in denen keine erhöhte Duktilität erwünscht ist und in denen sich keine Induktionsspulen befinden, wird das Bauteil entsprechend pressgehärtet. Hierbei werden die Schalen des Presshärtewerkzeugs sowie die Induktionsspulen während des gesamten Presshärtens durch Wasserkanäle gekühlt. Die Kühlkanäle sind in analoger Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel angeordnet.

Bei dem Verfahren bzw. den zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Vorrichtungen ist es von Vorteil, wenn die Induktionsspulen nicht direkt in den meist metallischen Kühlschalen gelagert werden, sondern die Induktionsspulen in nicht magnetischen Teilstücken der Kühlschalen eingebaut sind, beispielsweise keramischen Teilen. Hierdurch wird zielgerichtet nur das jeweilige Stahlbauteil bzw. die Platine erhitzt, jedoch die Kühlschale selber nicht induktiv erhitzt, so dass mit der Wasserkühlung lediglich die Temperatur des aufgeheizten Bauteils bzw. der aufgeheizten Platine herabgesetzt werden muss.

Alternativ zur vollständigen Kühlung des Bauteils 1 zwischen den Kühlschalen 5, 6 kann in den Bereichen, in denen sich die Induktionsspulen befinden, das Bauteil zur Entnahme aus der Presse auf 500 ⁰ C gehalten werden. Nach der Entnahme aus dem Presshärtewerkzeug wird das Bauteil in einer zweiten Werkzeug- stufe oder -Vorrichtung eingelegt, wobei in dieser Fertigungsstufe die noch erwärmten Teilbereiche mittels auf das Bauteil 1 aufsetzbarer Kühlschalen (Fig. 6) bzw. Kühlbacken separat abgekühlt werden. Die Maßhaltigkeit der Bauteile wird durch das Fixieren in einem entsprechenden Werkzeugunterteil oder in einer entsprechenden der Form des Bauteils entsprechenden Vorrichtung gewährleistet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens (Figuren 3 bis 6) wird ein im direkten oder indirekten Verfahren hergestelltes Bauteil 1 auf einen Halbschalenträger bzw. eine Halbschalenform 11 aufgelegt, wobei das Bauteil 1 in freien Endbereichen mit Spannvorrichtungen 12 an der Form gehalten wird. In einem Bereich, in dem das Bauteil duktiler ausgebildet werden soll, ist in dem Bereich, in dem das Bauteil 1 auf der Halbschale 11 aufliegt (Form) , eine Induktionsspule vorhanden, welche auf das Bauteil 1 einwirkt. Zudem kann an der Halbschale 11 ein verschwenkbarer Kühlaufsatz 15 vorhanden sein, der nach dem erfolgreichen Erwärmen das Bauteil 1 übergreift und das Bauteil in dem erwärmten Bereich kühlt. Hierdurch wird ein sehr definiert induktiv erwärmter und duktilerer Anlassbereich 13 (Fig. 4) erzielt.

Bei einer weiteren Ausführungsform dieses Verfahrens (Figuren 5 und 6) wird anstelle eines verschwenkbaren Kühlaufsatzes 15 eine bewegliche Kühlbacke 14 verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, gehärtetes Material in einem weiteren Schritt mittels Induktionsspulen, die in einem gekühlten Werkzeug angeordnet sind, zu erweichen oder ungehärtetes Material mittels Induktionsspulen in einem gekühlten Werkzeug partiell zu härten oder gehärtetes Material mittels Induktionsspulen in einer Halbform oder von außen aufgebrachten Induktionsspulen partiell anzulassen und zu erwei- chen oder ungehärtetes Material in einer Halbform mit in der Halbform angeordneten oder von außen aufbringbaren Induktionsspulen und ggf. Kühlbacken partiell zu härten.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass das Aufteilen der Anfertigung auf zwei Prozessschritte es ermöglicht, die Herstellung der Bauteile mit duktileren Teilbereichen ohne eine wesentliche Erhöhung der Taktzeit zu realisieren. Zudem wird Energie durch die Verwendung nicht magnetischer Kühlschalen eingespart, da nur das Bauteil und nicht die Schalen erwärmt werden. Zudem sind lange Haltezeiten möglich, da die Induktionsspule dank der stetigen Wasserkühlung nicht überhitzt werden kann, wobei sich die Induktionsspule unter der Oberfläche befindet und die Werkstückauflage dadurch nicht unterbrochen wird. Zudem wird die Induktionsspule unter der Schale vor Beschädigung und Korrosion bei der Fertigung geschützt.

Bezugszeichenliste :

1 Bauteil/Platine

2 Werkzeug

3 Werkzeugoberteil

4 Werkzeugunterteil

5 Kühl- bzw. Formwerkzeugschale

6 Kühl- bzw. Formwerkzeugschale

7 Nuten/Ausnehmungen

8 Nuten/Ausnehmungen

9 Induktionsspulen

10 Induktionsspulen

11 HaIbschalenträger/HaIbschalenform

12 Spannvorrichtungen

13 definiert induktiv erwärmter und duktiler Anlassbereich

14 bewegliche Kühlbacke

15 verschwenkbarer Kühlaufsatz