Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Presshärten von Stahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Presshärten von Stahl ist eine Technik, die seit den 70- iger Jahren des 20. Jahrhunderts bekannt ist. Bei diesem Ver ^¬ fahren wird eine Stahlplatine mit einer auf das Presshärten abgestimmten Legierungszusammensetzung auf eine Temperatur erhöht, die eine Austenitisierung und zwar vorzugsweise eine vollständige Austenitisierung ermöglicht. Eine vollständige Austenitisierung erfolgt üblicherweise oberhalb des sogenann ^¬ ten AC ₃ -Punktes, welche sich aus entsprechenden Mehrstoffzu- standsdiagrammen ablesen lässt und welche insbesondere auch von der Zusammensetzung abhängt.

Ein solcher Stahl wird nach dem Aufheizen und vollständigem Austenitisieren mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die über der sogenannten kritischen Härtegeschwindigkeit liegt. Dabei ergibt sich ein vollmartensitisches Gefüge, welches dem Stahl eine hohe Härte, insbesondere bis 1500 MPa und darüber ver ^¬ leiht .

Die Festigkeit eines solchen pressgehärteten Stahls bestimmt sich im Wesentlichen durch den Kohlenstoffgehalt , da dieser die Martensithärte bestimmt.

Andere Legierungselemente in der Zusammensetzung bestimmen im Wesentlichen mit dem Kohlenstoff die Härtbarkeit, wobei gewis ^¬ se Elemente, darunter insbesondere Bor das Umwandlungsverhal ^¬ ten beeinflussen und insbesondere als sogenannte Umwandlungs- verzögerer wirken. Diese Umwandlungsverzögerer senken die Temperatur, unterhalb derer auch mit dem Abkühlen über der kriti- sehen Härtegeschwindigkeit kein vollmartensitisches Gefüge mehr erreichbar wäre, signifikant ab und können daher teilwei ^¬ se eingesetzt werden, um bestimmte Prozessparameter günstig zu beeinflussen .

Das übliche Vorgehen beim Presshärten ist hierbei den entspre ^¬ chenden presshärtenden Stahl als Blech vorzusehen, aus diesem Blech eine Platine auszuschneiden und entweder diese Platine in kaltem Zustand tiefzuziehen und dann aufzuheizen, in ein Werkzeug einzulegen und dort durch allseitiges Anliegen des Kühlwerkzeuges entsprechend abzukühlen oder die Platine aufzu ^¬ heizen und in einem Werkzeug warm umzuformen und gleichzeitig mit der entsprechenden Geschwindigkeit abzukühlen.

Bei diesem an sich bekannten Verfahren werden die Abkühlraten durch das Werkzeug bzw. den Kontakt des presshärtenden Stahls mit dem Werkzeug bestimmt. Hierbei können eine geringe Wärme ^¬ leitfähigkeit, eine geringe Wärmekapazität, der Wärmeübergang, der Anpressdruck und die prozentuale Anpressfläche aber auch die Vorlaufstemperatur eines Kühlmediums wie Wasser, die erreichbaren Abkühlraten beeinflussen und insbesondere reduzieren .

Zudem hat sich in der Praxis gezeigt, dass bei den Presshärte ^¬ verfahren durch den Transfer des heißen Blechs aus dem Ofen zur Presse und insbesondere auf hohe Emissivitäten (hohes Wär ^¬ meabstrahlverhalten) des Bleches bzw. der Blechplatine unerwünschte diffusionsgesteuerte Umwandlungen bei hohen Tempera ^¬ turen (Ferrit) stattfinden können.

Ferner konnte festgestellt werden, dass das Tiefziehen dieser Bleche im warmen Zustand die Umwandlung beschleunigt, so dass in diesem Fall vor der Martensitbildung eher Ferrit und Bainit gebildet werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Presshärten von Stählen zu schaffen, welches die Prozesssteuerung beim Presshärten erleichtert, verbessert und nachvollziehbarer macht .

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet .

Während insbesondere in der Anfangszeit des Presshärtens nur relativ wenig Stähle zur Verfügung standen und somit die Anlagengeometrie auf diese Stähle abgestimmt wurde, sind viele An ^¬ lagen zum Presshärten von Stahl mittlerweile im Einsatz. Derartige bestehende Anlagen haben Eigenschaften, die bestimmte Prozessparameter wie Temperatur, Handlingszeit, etc bestimmen. Erfindungsgemäß kann nun mittels Kennzahlen eine einfache Klassifizierung des presshärtenden Stahls vorgenommen werden, so dass mit Hilfe der Klassifizierung abgeschätzt werden kann, ob dieser Stahl in einer bestehenden Anlage oder bei bestehenden vorgegebenen Prozessparametern für das Presshärten geeignet ist oder nicht.

Umgekehrt können für einen bestehenden gewünschten Stahl bestimmte Anlagenparameter vorbestimmt werden und insbesondere die Kühlrate im Werkzeug.

Hierbei können mit den vorgegebenen Kennzahlen und deren reichen die Anlagenparameter auch abhängig vom Umformgrad rücksichtigt werden. Grundsätzlich führen hohe Umformgrade dazu, dass in verringertem Maße Martensit gebildet wird. Um also einen gewünschten Martensitgehalt zu erreichen, kann abgeschätzt werden, ob bei vorgegebenem Umformgrad noch die entsprechende Härte erreicht wird .

Insbesondere kann z.B. abgeschätzt werden, ob bei gegebenen Abkühlraten der verwendete Stahl für das indirekte Presshärte ^¬ verfahren oder auch für das direkte Presshärteverfahren geeignet ist. Beim indirekten Presshärteverfahren wird der Stahl vor dem Presshärten umgeformt, so dass beim Presshärten selbst im erhitzten Zustand keinerlei Umformung stattfindet. Ein sol ^¬ cher Prozess bedingt daher eine geringere Presshärtezahl als z.B. ein direkter Presshärteprozess , bei dem im heißen Zustand auch noch eine Umformung durchgeführt wird.

Hiermit kann die Anzahl der Versuche bis zur Lauffähigkeit der Anlage mit dem speziellen Stahl verringert und insbesondere auch der Ausschuss abgesenkt werden. Insbesondere kann man er ^¬ kennen, ob ein Stahl bei den gegebenen Prozessparametern in einem Grenzbereich pressgehärtet wird, bei dem nicht jedes Bauteil zuverlässig die geforderten Eigenschaften erzielt, so dass von vorne herein hierdurch in günstiger Weise eine Vielzahl von möglichen Fehlerquellen ausgeschlossen werden kann.

Erfindungsgemäß wird hierfür eine Presshärtezahl geschaffen. Die Presshärtezahl (PHZ) ist ein Werkzeug mit dem man einfach aus der chemischen Zusammensetzung und der Abkühlrate im Werkzeug abschätzen kann, ob das gewünschte vollmartensitische Ge ^¬ füge erreicht werden kann. Vollmartensitisches Gefüge im Sinne dieser Offenbarung entspricht einem Gefügeanteil von

> 90 Vol.- %, insbesondere > 95 Vol.-% Martensit und Restaus- tenit, Rest Ferrit und/oder Bainit . Durch die Presshärtezahl kann mit abgeschätzt werden, ob die vorhandene Werkzeugtechnologie im Zusammenhang mit der Blech ^¬ dicke (= Kühlrate) ausreicht, um ein vollständiges martensiti- sches Gefüge zu erhalten. So kann beispielsweise ermittelt werden, ob in einem Werkzeug eine Legierung A Martensit erzeugt, jedoch die Legierung B zu Ferrit und Martensit führt.

Zudem kann durch die Presshärtezahl abgeschätzt werden, welche Legierung notwendig ist, um bei einem gegebenen Umformgrad noch vollmartensitisch zu werden.

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

Figur 1: eine Tabelle mit mehreren Stahlzusammensetzungen aus denen sich die jeweilige Presshärtezahl ergibt;

Figur 2: qualitativ die Abhängigkeit der Martensitbildung vom

Umformgrad;

Figur 3: der kritische Umformgrad in Abhängigkeit der Press ^¬ härtezahl .

Aus der Figur 1 ergeben sich für die unterschiedlichsten

Stahlsorten die zunächst gemessenen Presshärtekühlraten.

Hierbei sind P,S, N nur als übliche unvermeidbare Verunreini ^¬ gungen enthalten .V und Ti sind nicht extra in der Tabelle aufgeführt und sind im Bereich von < 0,5%, insbesondere < 0,2 % zulegiert .

Hierbei dient Ti nur zur Abbindung des N wobei Werte von Ti / N ( in at%) von ca. 3,4 ausreichend sein sollten. Alle weite ^¬ ren Angaben sind in Masse-%. Von den gemessenen Presshärtekühlraten (PHM) aus sind erfindungsgemäß zwei unterschiedlichen Formeln zur Ermittlung der theoretischen Presshärtekühlrate (PHK) notwendig. Hierbei muss unterschieden werden, für Stahlmaterialien, deren gelöster Borgehalt im Ausgangsmaterial ^ 5 ppm ist und der theoreti ^¬ schen Presshärtekühlrate (PHK) für Stahlmaterialien deren gelöster Borgehalt im Ausgangsmaterial < 5 ppm beträgt.

Die Formel für die theoretische Presshärtekühlraten für Mate ^¬ rial dessen Borgehalt gelöst im Ausgangsmaterial ^ 5 ppm be ^¬ trägt ist:

PHK [K/s]= 1750 / (28,5*C% + 3,5*Si% + 2 , 3 *Mn-2 *A1%+ 4*Cr% + 3*Ni% + 25*Mo% - 20*Nb - 6,3) ^Λ 2,7

Für Borgehalte, die im Ausgangsmaterial gelöst sind < 5 ppm ergibt sich die nachfolgende Formel für die theoretische

Presshärtekühlrate :

PHK [K/s]= 2750 / (28,5*C% + 3,5*Si% + 2,3*Mn - 2*A1% + 4*Cr% + 3*Ni% + 25*Mo% - 20*Nb - 7,0) ^Λ 1,8.

Alle Prozent zahlen sind generell Masseprozent.

Die theoretischen Presshärtekühlraten können von den gemessenen Presshärtekühlraten abweichen, da hier gewisse Sicherheitsfaktoren, beispielsweise zum Ausgleich der Messunsicherheiten eingebaut sind und eine sinnvolle Generalisierung vor ^¬ genommen wurde .

Die Presshärtezahl (PHZ) ergibt sich aus diesen ermittelten Formeln bzw. Formelwerte wie folgt: PHZ = Kühlrate im Werkzeug (PHW) / theoretische PH_Kühlrate

(PHK) .

Hierbei ergibt sich erfindungsgemäß die folgende Gesetzmäßig ^¬ keit :

PHZ < 1: keine vollständige Härtung durch Martensit gewähr ^¬ leistet

PHZ= 1: eine unverformte oder vorgeformte Platine kann gehär ^¬ tet werden = indirekter Prozess

PHZ > 1: eine Platine kann warm verformt werden bzw. steigende

Sicherheit gegen plastische Umformung beim Härten (Warmumformeignung)

Aus Figur 2 ergibt sich hierbei qualitativ der Zusammenhang zwischen dem kritischen logarithmischen Umformgrad und der Härte, unabhängig davon ob diese im % Martensit oder Härte HV gemessen wird.

Der kritische logarithmische Umformgrad für den eindimensiona ^¬ len Fall ergibt sich dabei wie folgt:

«) = Loa arithmi scher Umformqrad

Aus Figur 3 ersieht man hierbei die Presshärtezahl gegen den kritischen logarithmischen Umformgrad. Hierbei zeigt der schraffierte Bereich unter der Geraden ab der Presshärtezahl 1 den Bereich an, in dem eine sichere Warmumformung möglich sein sollte. Die gestrichelten Kurven um die Gerade herum geben mögliche Kurvenverläufe an, da diese Anstieg nicht zwingend linear erfolgen muss. Durch die Presshärtezahl bzw. die theoretische Presshärtekühlrate lässt sich somit für eine bestehende Anlage ein Stahlma ^¬ terial ermitteln, welches mit hinreichender Sicherheit entwe ^¬ der im indirekten Verfahren gehärtet wird oder sogar eine so hohe Presshärtezahl besitzt, dass eine effektive direkte

Presshärtung, d.h. Umformung im warmen Zustand möglich ist.

Hierzu muss die theoretische Presskühlrate (PHK) entsprechend der Formel ermittelt werden und für das jeweilige Umformwerk- zeug die im Dauerbetrieb erzielbare Abkühlrate (PHW) ermittelt werden .

Umgekehrt kann bei einem gegebenen gewünschten Stahlmaterial und dem gegebenen gewünschten Prozess, also im direkten oder indirekten Verfahren sowie einen gewünschten Sicherheitsfaktor die Presshärtezahl festgelegt werden und anschließend in ein ^¬ facher Weise durch die Umstellung der oben angegebenen Formel die effektive Kühlrate ermittelt werden.

Die formelmäßigen Zusammenhänge in der theoretischen Presshärtekühlrate sind dabei so gewählt, dass sie übliche kleinere Einflussfaktoren, wie z.B. unterschiedliche Vorlauftemperatur des Kühlwassers für das Werkzeug abhängig von der Jahreszeit noch mit umfasst sind.