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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen gehärteter Stahlbauteile und insbesondere gehärteter Stahlbauteile für Automobilanwendungen, welche über Bereiche verfügen, welche eine höhere Duktilität besitzen als andere Bereiche.
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Es ist bekannt, gehärtete Stahlbauteile insbesondere für den Automobilbau dadurch herzustellen, dass ein Stahl aus einer durch Abschreckung härtbaren Legierung erschmolzen und zu Blechen warm- oder warm- und kaltgewalzt wird, und die so erhaltenen Bänder anschließend zu Platinen zerschnitten werden und die Platinen zu gehärteten Bauteilen weiterverarbeitet werden können.
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Die Weiterverarbeitung zu Bauteilen erfolgt hierbei über zwei grundsätzliche Verfahren. Eines hiervon ist das sogenannte Presshärten, bei dem Bauteile erhalten werden, indem die Platine so weit erhitzt wird, dass der Stahl in einem gewünschten Umfang in den austenitischen Zustand gebracht wird und anschließend diese Platine in einem Presshärtewerkzeug mit einem Hub umgeformt und durch das kalte Werkzeug gleichzeitig abgeschreckt und gehärtet wird.
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Das andere Verfahren ist das sogenannte Formhärten, bei dem eine solche Platine kalt zu einem Formbauteil umgeformt wird und das Formbauteil anschließend aufgeheizt wird, so dass es bezüglich des Stahlmaterials in einen gewünschten austenitischen Zustand gebracht wird, zum Beispiel auch voll austenitisiert wird.
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Dieses erhitzte Formbauteil wird anschließend in eine Formhärteform eingelegt, die im Wesentlichen die Form des Bauteils hat, wobei die Formhärteform sich nach dem Einlegen schließt, das Bauteil formschlüssig klemmt und hält und gleichzeitig abschreckt.
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In beiden Fällen wird, durch das Abschrecken in der Form, der Austenit in Martensit umgewandelt, was zu einer sehr hohen Härte führt.
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Mit den beiden genannten Verfahren lassen sich abhängig vom Stahlwerkstoff Härten mit Festigkeiten Rm von größer 1300 MPa insbesondere größer 1800 MPa erreichen.
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Die hierfür verwendeten Stahlgüten sind mit Bor und Mangan legierte Stahlgüten, die einen Kohlenstoffgehalt über üblicherweise 0,20% besitzen. Die Stahlgüten können auch einen Kohlenstoffgehalt über 0,30% besitzen und insgesamt kann gesagt werden, dass bei der Abschreckhärtung, bei der austenitisches in ein martensitisches Gefüge umgewandelt wird und die unterschiedlichen Kohlenstofflöslichkeiten zu einer Verzerrung des Martensitgitters führen, der Kohlenstoffgehalt im Wesentlichen für die Härte bestimmend ist.
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Gängige Werkstoffe hierfür sind stärker umwandlungsverzögerte Werkstoffe als der 22MnB5 wie beispielsweise der 20MnB8 sowie der 33MnB8.
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Besonders geeignete Werkstoffe sind jene, welchen mindestens 10 Sekunden mehr Zeit als beim üblichen 22MnB5 im isothermen ZTU bei 550°C bis zum Umwandlungsstart zur Verfügung steht. Dies wird auch in 6 näher erläutert.
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Insbesondere soll die Presshärtezahl (PHZ) größer als jene des 22MnB5 sein, die Berechnung hierfür findet sich in
DE102012105580 .
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Schon relativ bald nach der Einführung derart pressgehärteter Bauteile Anfang der 2000-er Jahre stelle sich heraus, dass diese Bauteile zwar in hervorragender Art und Weise dazu geeignet sind, den Insassenschutz in Kraftfahrzeugen deutlich zu verbessern, dadurch, dass eine hieraus ausgebildete Fahrgastzelle eine enorme Stabilität aufweist. Es stellt sich jedoch auch heraus, dass die große Zugfestigkeit erwartungsgemäß mit einer vergleichsweise hohen Sprödigkeit des Materials einhergeht. Diese hohe Sprödigkeit führte dazu, dass Energie nicht durch Verformung abgebaut werden kann, sondern dass bei einer entsprechenden Überlast die Bauteile brechen. Ein solcher Bauteilbruch ist im Falle einer Verunfallung unerwünscht; im Zweifel soll das Bauteil im letzten Moment nachgeben können, damit insbesondere auch Verbindungsbereiche zu anderen Bauteilen nicht durch die Verunfallung aufbrechen oder gelöst werden.
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Dies führte dazu, dass sogenannte Tailored-Properties Parts (TPP) entwickelt wurden. Hierbei handelt es sich um gehärtete Bauteile, welche Bereiche aufweisen, die nicht gehärtet oder nicht so hoch gehärtet sind und bei einer Verunfallung die Aufgabe haben, eine gewisse Verformung zuzulassen, und zwar insbesondere in den Bereichen, in denen die gehärteten Bauteile mit anderen Bauteilen verbunden sind oder in Bereichen, in denen der Hauptaufprall im Verunfallungsfall erwartet wird, zum Beispiel bei einer B-Säule im Hüftbereich eines Fahrgastes.
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Für die Herstellung derartiger Bauteile wurden eine Mehrzahl von Verfahren entwickelt, die sich teilweise nur in Nuancen unterscheiden.
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Aus der
EP 3 268 154 A1 sind ein Presssystem und -Verfahren bekannt, bei dem warmumgeformte Strukturbauteile herstellbar sind. Ein entsprechendes Pressensystem umfasst einen festen unteren Formkörper und einen mobilen oberen Formkörper und einen Mechanismus, der so ausgebildet ist, dass die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des oberen Pressenteils eingestellt werden kann. Das System umfasst zudem ein Kühl- oder Aufwärmwerkzeug, welches in der Lage ist, ein zuvor aufgewärmtes Stahlblech mit lokal unterschiedlichen Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften auszubilden, wobei das Kühl- oder Aufwärmwerkzeug obere und untere Matrizen besitzt, wobei die obere und die untere Matrize zwei oder mehr Matrizenblöcke umfasst, welche so ausgebildet sind, dass sie bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, wobei die Bereiche mit Zonen des Blechs korrespondieren, welches lokal unterschiedliche Mikrostrukturen und mechanische Eigenschaften besitzt, sowie ein Pressenwerkzeug, welches dazu ausgebildet ist, das Blech tiefzuziehen, wobei das Pressenwerkzeug stromabwärts des Kühl- oder Aufwärmwerkzeuges angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2007 047 314 A1 ist ein Pressenwerkzeug zum Warmumformen und/oder Presshärten von Werkstücken aus Blech bekannt, mit wenigstens einem im Abstand von der Stempel- und/oder Matrizenoberfläche des Werkzeug verlaufenden Strömungskanal für eine Wärme von dem Werkstück abführenden Medium, wobei der Strömungskanal derart im Abstand von der Stempel- und/oder Matrizenoberfläche verläuft, dass sich in Strömungsrichtung ein gewünschtes Wärmeübergangsprofil zwischen dem Werkstück und dem Medium ergibt.
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Aus der
EP 2 233 593 A2 ist eine Warmformanlage zur Herstellung von pressgehärteten Formbauteilen aus Stahlblech bekannt. Die Warmumformanlage besitzt einen Ofen, mittels dem warmumzuformendes Stahlblech zumindest partiell auf Austenitisierungstemperatur erhitzbar ist und eine Pressanlage zum Warmumformen und Presshärten des im Ofen erhitzten Stahlblechs. Um die Nutzung vorhandener Pressenkapazitäten zu ermöglichen und eine hohe Hubzahl und damit eine hohe Produktivität zu erzielen, sieht die Erfindung vor, dass dem Ofen eine Erhitzungsvorrichtung vorgeordnet ist, mittels der Stahlblech zumindest partiell auf eine Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 500 bis 700°C erhitzbar ist und dass die Pressenanlage mehrstufig ausgebildet ist, wobei ein erster Teil der Pressanlage mindestens ein erstes Werkzeug zum Warmumformen und Kühlen des im Ofen erhitzten Stahlblechs aufweist und ein nachfolgender Teil der Pressanlage mindestens ein zweites Werkzeug zum weiteren Kühlen des warmumgeformten Stahlblech aufweist und wobei das zweite Werkzeug das warmumgeformte Stahlblech weiter umformt, beschneidet und/oder locht.
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Aus der
EP 2 931 453 B1 ist eine Warmumformvorrichtung zum Warmumformen und/oder Presshärten von Werkstücken bekannt, welche vorzugsweise aus Stahlblech hergestellt sind und welche nach dem Presshärten einen gehärteten Werkstückabschnitt und einen duktilen Werkstückabschnitt aufweisen, wobei die Warmumformvorrichtung eine erste Umformstation mit einem ersten Werkzeug und eine hinter der ersten Umformstation angeordnete zweite Umformstation mit einem zweiten Werkzeug umfasst, wobei das zweite Werkzeug mit der Formkontur des ersten Werkzeugs ausgebildet ist, wobei das erste Werkzeug einen ersten Werkzeugabschnitt, der zum Ausbilden des gehärteten Werkstückabschnitts vorgesehen ist, besitzt und weiter das erste Werkzeug einen zweiten Werkzeugabschnitt besitzt, der zum Ausbilden des duktilen Werkstückabschnitts vorgesehen ist, wobei die Werkzeuge Temperierungseinrichtungen zur Einstellung der Temperaturen umfassen, wobei zur Steuerung der Warmumformrichtung eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, die Eingänge aufweist, die mit Temperatursensoren verbunden sind, die an den Werkzeugabschnitten der Werkzeuge angeordnet sind und Ausgänge aufweisen, die mit Temperierungseinrichtungen verbunden sind, die mit den Werkzeugabschnitten der Werkzeuge zusammenwirken. Hierbei soll ein Nachteil im Stand der Technik beseitigt werden, nachdem Warmumformvorrichtungen, in denen Werkstücke ausgebildet werden, die neben pressgehärteten Bereichen auch duktile Bereiche aufweisen, eine wesentlich höhere Taktzeit als die übrigen Stationen benötigen, wenn das Werkstück in dem Werkzeug so weit abkühlt, dass es nach der Entnahme aus dem Werkzeug keinen Verzug mehr erleidet.
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Bei den genannten Verfahren im Stand der Technik ist von Nachteil, dass jede der zuvor genannten Methoden unterschiedliche technischen Nachteile besitzt, wobei insbesondere gleichwohl die erforderlichen Taktzeiten je nach Methode unterschiedlich sind. Darüber hinaus nimmt das Umrüsten bei einem Bauteil zum Nächsten viel Zeit und Aufwand in Anspruch, selbst wenn die Pressenanordnung mit mehreren Pressen für ein spezielles Bauteil Taktzeit-optimiert ist. Insgesamt ist es somit ein Nachteil, dass die bekannten Methoden kostenmäßig nicht wirtschaftlich darstellbar sind.
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Ein weiterer Nachteil im Stand der Technik ist, dass die verwendeten Warmarbeitsstähle bzw. Werkzeuge daraus mit der Dauer der Belastung bei zu hohen Temperaturen weicher werden d.h. die Härte der Werkzeuge kontinuierlich sinkt und nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Stahlbauteilen mit duktileren Bereichen zu schaffen, welches Taktzeit-neutral, kostengünstig und ohne zusätzliche Anlagenstillstandszeiten rüstbar ist und einen geringen Werkzeugverschleiß verursacht.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Es ist darüber hinaus eine Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit der ohne zusätzliche Anlagenstillstandszeiten eine Umrüstung erfolgen kann und welche für mehrere Produkte anwendbar ist.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß wird eine Stahlblechplatine im direkten Verfahren, d.h. im Presshärteverfahren, verarbeitet. Dies bedeutet, dass die Platine im Ofen austenitisiert und anschließend umgeformt wird. Erfindungsgemäß wird die Platine im Ofen komplett austenitisiert und nicht, wie bei anderen Verfahren in den Bereichen, in denen sie weich bleiben soll, nicht austenitisiert. Die komplett austenitisierte Platine wird, nachdem sie aus dem Ofen genommen wurde, uniform auf 500 bis 600°C abgekühlt und anschließend in ein Werkzeug eingelegt und dort umgeformt. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Werkzeug in den Bereichen, in denen das Bauteil weich oder weicher verbleiben soll, auf 400 bis 500°C und mindestens 20 K über der jeweiligen Martensit-Starttemperatur vorzuwärmen bzw. auf dieser Temperatur zu halten. Anschließend, nachdem die Umformung und teilebereichsweise die Abschreckhärtung stattgefunden hat, wird das Bauteil aus der Presse mit dem heißen, später weichen, Bereich entnommen. Vorteilhafterweise wird durch die niedrigere Werkzeugtemperatur der Verschleiß verringert da der Härteabfall geringer ist.
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Das Bauteil kann anschließend in eine nachgelagerte Temperaturhalte- oder - Erwärmungsstation hinter der Presse gelegt und der später weiche Bauteilbereich bei 500 bis 600°C gehalten werden. Vorteilhafterweise kann in den Haltestationen eine positive maßliche Beeinflussung des Bauteils durch mechanische Manipulation wie beispielsweise durch Spannbacken bzw. Hydraulikzylinder vorgenommen werden, um den Bauteilverzug durch die lokale Wärmeeinbringung zu minimieren. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Bauteilverzug durch die Abkühlung bzw. Gefügeumwandlung vorbeugend kompensiert werden.
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Diese Station oder eine Mehrzahl derartiger Stationen dient der Vergleichmäßigung des Bauteilflusses. Das heißt, dass die Presse zum Beispiel mit der möglichen hohen Taktrate betrieben wird ohne Rücksicht auf die Dauer nachfolgender Prozesse, wie dem Halten. Das Halten wird in einer oder mehreren Stationen durchgeführt, so dass nachfolgende Prozessschritte wieder im Takt der Presse sind. Das Bauteil wird anschließend mit den lokal heißen Bereichen aus der Haltestation oder der Erwärmungsstation entnommen und auf ein Auslaufband aufgelegt und an Luft auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
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Umwandlungsverzögerte Stahlbleche können halbhart, d.h. mit verringerter Festigkeit oder lokal verringerter Festigkeit auf 800 - 1000 MPa bevorzugt 900 - 1000 MPa ohne nachgelagerte Haltestation mit diesem Verfahren hergestellt werden.
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Mit der nachgelagerten Haltestation können umwandlungsverzögerte Bleche im weichen Zustand oder teilweise weichem Zustand von 550 - 800 MPa bevorzugt 600 - 700 MPa realisiert werden.
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Insgesamt ist somit von Vorteil, dass die unterschiedlichsten Werkstoffe und die unterschiedlichsten Zielhärten bzw. Zugfestigkeiten mit einer Anlage realisiert werden können.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Erzeugen von Stahlbauteilen mit Zonen unterschiedlicher Duktilität wobei eine Stahlblechplatine aus einem Band aus einem durch Abschreckhärtung härtbarem Stahlmaterial ausgeschnitten wird und anschließend in oder mit einer Erhitzungseinrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 gebracht wird und auf dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird, wobei die austenitisierte Platine nach dem Aufheizen und vor dem Einlegen in ein Umformwerkzeug auf eine Temperatur zwischen 450 und 500 °C abgekühlt wird und die Platine anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und in dem Umformwerkzeug umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug in den Bereichen, in denen die Duktilität der Platine höher sein soll als in den vollgehärteten Bereichen, temperiert ist, wobei die Platine nach der Umformung und der Härtung der harten Bereiche aus dem Umformwerkzeug entnommen wird und optional einer Temperier- und Haltestation übergeben wird, wobei in der Temperier- und Haltestation die unterschiedlichen Bereiche der Platine auf ihrer jeweiligen Temperatur gehalten werden, oder die wärmeren duktileren Bereiche der Platine weiter aufgewärmt werden und nach einer gewünschten Haltezeit die Platine auf ein Auslaufband gegeben und an Luft abkühlen gelassen wird.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass als Stahlsubstrat ein 20MnB8 oder 33 MnB8 verwendet wird.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Stahlsubstrat eine metallische Beschichtung auf Basis von Aluminium oder aus Zink oder auf Basis von Zink besitzt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Umformwerkzeug in den Bereichen, in denen die Platine warm verbleiben soll auf eine Temperatur von 400 bis 500°C und mindestens 20 K über der jeweiligen Martensit-Starttemperatur des Werkstoffs und maximal 40 K unter der Anlasstemperatur des Werkzeugmaterials erwärmt ist.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der Temperier- und Haltestation der später weiche oder halbharte Bereich des Bauteils auf 450 bis 600°C gehalten oder erwärmt wird.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass zur Sicherung einer vorgegebenen Taktzeit mehrere Haltestationen nach dem Umformwerkzeug angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass so viele Haltestationen verwendet werden, wie die Haltezeit in der Haltestation dividiert durch die Bearbeitungszeit in der Umformpresse ergibt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen des vorgenannten, wobei die Vorrichtung aufweist:
- - zumindest eine Erwärmungseinrichtung, die ausgebildet ist, eine oder mehrere Stahlblechplatinen in einer vorbestimmten Zeit auf eine Temperatur oberhalb der Austentitisierungstemperatur zu erhitzen;
- - eine Zwischenkühlstation, die ausgebildet ist, die Platinen auf eine Temperatur zwischen 450 und 500°C zu kühlen;
- - zumindest ein Warmumformwerkzeug, welches ausgebildet ist, eine heiße Platine umzuformen, wobei das Warmumfomwerkzeug kalte Bereiche zum Abschreckhärten aufweist und Bereiche die mit einer Temperierung ausgebildet sind, um Bereiche der Platine warm zu belassen;
- - eine Haltestation, welche ausgebildet ist, die Temperaturen der Platine nach der Entnahme aus dem Warmumformwerkzeug zu halten oder die Temperaturen in den warmen Bereichen weiter zu erhöhen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass zwischen den einzelnen Einrichtungen oder Stationen Manipulationseinrichtungen zur Entnahme und für den Transfer in die jeweils nächste Station oder Einrichtung vorhanden sind.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass so viele Haltestationen vorhanden sind, wie die Haltezeit in der Haltestation dividiert durch die Bearbeitungszeit in der Umformpresse, wobei Manipulationseinrichtungen vorhanden sind, die die Bauteile auf die jeweils freie Haltestation aufgeben.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der Temperier- und Haltestation das Blech allseitig vollflächig oder teilflächig gehalten wird.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der Temperier- und Haltestation das Blech mittels Strahlung z. B. Infrarotstrahlung temperiert wird.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Temperier- und Halteeinrichtung im Bereich, in dem sich voll gehärtete Blechbereiche befinden, eine Isolierung und/oder Kühlung besitzt, um ein Wiedererwärmen der gehärteten Bereiche auszuschließen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Temperier- und Haltestation im Bereich, in dem sich Blechbereiche befinden, die umgewandelt werden sollen und duktil verbleiben sollen, über eine Beheizung verfügt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass parallel zu der zumindest einen Temperier - und Haltestation zumindest ein Bypass-Auslaufband für Bauteile vorhanden ist, welche nicht gehalten werden sollen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der Vorkühlstation Kühlbacken zum Klemmen der Bleche vorhanden sind oder es eine Sprüheinrichtung zum Sprühkühlen der Bleche mit einem Fluid gibt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass in der Temperier- und Haltestation Spann- und/oder Manipulationsvorrichtungen vorhanden sind, um das Bauteil maßgenauer zu machen bzw. den möglichen Bauteilverzug durch die lokal wärmeren Bereiche zu minimieren.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
- 1: ein ZTU-Schaubild mit einem Temperaturverlauf, der zu einem vollmartensitisch gehärteten Bauteil oder Bauteilbereich führt;
- 2: ein weiteres ZTU-Schaubild, zeigend einen ersten Temperaturverlauf zur Ausbildung eines duktileren Gefüges;
- 3: ein weiteres ZTU-Schaubild mit einer stärkeren Abkühlrate und einer Haltephase bei einer ersten, höheren Temperatur;
- 4: das ZTU-Schaubild nach 3 mit einer stärkeren Abkühlung und einer später beginnenden Haltephase bei einer tieferen Temperatur;
- 5: das ZTU-Schaubild zeigend den Wärmebehandlungspfad nach der Erfindung mit den Temperaturbereichen für den Umformschritt und den Temperaturbereichen für den Halteschritt;
- 6: zeigt einen Vergleich im isothermen ZTU-Schaubild eines konventionellen 22MnB5 (links) und rechts für einen erfindungsgemäßen umwandlungsverzögerten Werkstoff bsp. ein 20MnB8, welcher mindestens 10 Sekunden, in diesem Beispiel sogar mehr als 20 Sekunden mehr Zeit als beim üblichen 22MnB5 im isothermen ZTU bei 550°C bis zum Umwandlungsstart zur Verfügung stellt.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren geschaffen und eine Vorrichtung, mit der es möglich ist, unterschiedlich beschichtete Stahlmaterialien mit unterschiedlichen duktilen Bereichen auszubilden, so dass eine flexible Fertigung in kostengünstiger Weise auf einer Linie erfolgen kann, ohne zusätzliche Rüstzeiten zu verursachen.
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Erfindungsgemäß ist es hierfür vorgesehen, insbesondere im direkten Verfahren zu arbeiten, so dass die Anlage einen Ofen zum Austenitisieren von Platinen aufweist, eine nachgeordnete Vorkühlstation, eine Umformstation mit einem beheizten Werkzeug, wobei das Werkzeug nur in den Bereichen beheizt ist, in denen ein zukünftiges Bauteil weicher verbleiben soll, eine Manipulierstation, welche die Bauteile aus der Presse entnimmt und in eine nachgelagerte Temperaturhalte- oder Erwärmungsstation oder einen Anlassofen einlegen oder die Bauteile auf einer Bypass-Linie ablegen kann, welche neben der Erwärmungsstation, Haltestation oder dem Anlassofen verläuft und anschließend ein Auslaufband, um die Bauteile an Luft abkühlen lassen zu können.
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Mit einer solchen Anlage kann flexibel auf das Ausgangsmaterial reagiert werden. Beispielsweise kann ein Aluminium-Silizium-beschichtetes Blech umgeformt werden, jedoch auch ohne es wesentlich zu härten oder mit weichen Bereichen. Bei einem solchen Material ist von Vorteil, dass die Anlage in der Lage ist, das Material vorzuheizen, denn Aluminium-Silizium-beschichtete Bleche lassen sich nur sehr schlecht kaltumformen.
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Bei einem derartigen Blech ist eine nachgeordnete Haltestation nicht notwendig.
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Bei Zink-beschichteten härtbaren Stahlblechen kann ein solches Material mit Bereichen im sogenannten halbharten Zustand mit ca. 800 bis 1000 MPa hergestellt werden, wobei in diesem Fall die Haltestationen entbehrlich sind.
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Soll Material in einem eher weicheren Bereich, d.h. in einem Bereich von 550 bis 800 MPa erzielt werden, wird die Haltestation nach der Presse verwendet.
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Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Haltestationen hinter einer Presse integriert, so dass Zink-beschichtete direkt umgeformte Bauteile mit unterschiedlichen Eigenschaften in der weichen Ausführungsform Taktzeit-neutral hergestellt werden können.
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Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass die vollständige Austenitisierung im Ofen eine gute Oberfläche und auch gute Klebeeigenschaften im gesamten Blechbereich, d.h. auch in den weicheren Bereichen ermöglicht.
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Hierbei besteht keine Blechdickenbeschränkung.
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1 zeigt ein ZTU-Schaubild, in dem der Temperatur-Zeitverlauf dargestellt ist, der zu einer martensitischen Härtung eines Blechbauteiles aus einem entsprechend härtbaren Stahlmaterial (bspw. 22MnB8 etc.) führt. Hierbei wird ein austenitisiertes Blech oder ein Teil eines austenitisierten Blechs mit einer Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, die über der sogenannten kritischen Härtegeschwindigkeit liegt. Bei einer solchen Abkühlgeschwindigkeit hat das Gefüge keine Zeit, eine Modifikation anzunehmen, welche sonst bei der entsprechenden Temperatur und der entsprechenden ausreichenden Zeit eingenommen würde. In diesem Fall wird die martensitische Phase „eingefroren“. Die bei einer langsameren Abkühlung sich einstellenden Modifikationen Bainit oder Ferrit hingegen erscheinen nicht. Bei der Erfindung findet eine derartige Abkühlung (allerdings ggf. mit Stufen resultierend aus Prozessschritten) in den Bereichen statt, in denen ein gehärteter bzw. harter Bereich gewünscht ist. In 1 erkennt man auch (in Kreisen dargestellt) die erreichbaren Vickers-Härten. Hieraus wird auch klar, dass eine deutlich langsamere Abkühlung zu einer geringeren Härte führt.
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In 2 ist ein ZTU-Schaubild dargestellt, bei dem die Abkühlung im austenitischen Zustand über der Martensit-Starttemperatur gestoppt wurde (in diesem Fall bei etwa 450°C) und anschließend diese Temperatur gehalten wird. Durch das Halten auf dieser Temperatur findet eine andere Gefügezusammensetzung statt. Es kommt zu einer diffusen Umwandlung in Perlit, Bainit und Ferrit, was allerdings auch vom weiteren Kühlverlauf abhängen würde.
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In 3 ist ebenfalls ein ZTU-Schaubild gezeigt, bei dem die Abkühlung im austenitischen Zustand über der Martensit-Starttemperatur gestoppt wurde (in diesem Fall bei etwa 600°C) und anschließend diese Temperatur gehalten wird. Durch das Halten auf dieser Temperatur findet eine vollständige Gefügeumwandlung schon nach etwa 2 Minuten statt, so dass eine Beschleunigung des Prozesses hierdurch möglich wäre. Es ist allerdings von Nachteil, dass bei derart hohen Temperaturen das Umformwerkzeug, aufgrund des Verhaltens des Warmarbeitsstahles, relativ schnell erweicht, da diese Temperatur sich im Bereich der Anlasstemperatur des Warmarbeitsstahles befindet.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Verfahrensroute anhand eines ZTU Schaubildes. Erfindungsgemäß erfolgt zunächst eine Vorkühlung des gesamten Blechs. Diese Vorkühlung kann auf die unterschiedlichsten Arten erfolgen, beispielsweise Besprühen mit einem Fluid, Klemmen zwischen Kühlbacken und dergleichen. Ziel der Vorkühlung ist es, alle Bereiche des Blechs auf eine einheitliche Temperatur zu bringen mit der das Blech einerseits in ein Umformwerkzeug eingelegt werden kann und andererseits noch kein Bereich des Blechs eine Umwandlung aus dem austenitischen Zustand erfahren hat. Daher wird angestrebt, die Vorkühlung abgeschlossenen zu haben, bevor die Martensit-Starttemperatur (Ms) erreicht ist. Aus praktischen Erwägungen wird ein gewisser Abstand zur Martensit-Starttemperatur eingehalten, beispielsweise 20-50°C.
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Die Vorkühlung erfolgt mit einer vergleichsweise hohen Abkühlrate von 20 bis 80 K/s und insbesondere 40 bis 60 K/s insbesondere 50 K/s.
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Nach Abschluss der Vorkühlung wird das Blech von der Vorkühlstation in eine Umformpresse überführt. Ein möglicher Temperaturverlust bei dem Transfer wird bei der Vorkühlung berücksichtigt, so dass sichergestellt ist, dass das Blech noch im austenitischen Zustand in das Werkzeug überführt wird.
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Die Bereiche des Blechs, die einer klassischen Presshärtung unterworfen werden sollen, werden im Umformwerkzeug durch Abkühlung mit einer Abkühlrate, die über der kritischen Härtgeschwindigkeit liegt abgekühlt, wobei hierdurch ein weitestgehend bis vollständig martensitisches Gefüge erzielt wird, welches für die hohe erzielbare Härte verantwortlich ist. Hierfür kann das Werkzeug in diesen Bereichen mit einer Kühlung ausgebildet sein.
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Der Temperaturverlauf entspricht dabei im Wesentlichen dem Temperaturverlauf von 1, wobei jedoch durch den Transfer von der Vorkühlung in das Werkzeug eine Stufe vorhanden sein kann, die jedoch unschädlich ist.
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Die Bereiche des Blechs, die später eine höhere Duktilität und geringere Härte besitzen sollen, erfahren im Umformwerkzeug zwar die Umformung, aber keine Abkühlung unter die Martensit-Starttemperatur. Hierzu besitzt das Umformwerkzeug Bereiche, welche vorgewärmt sind, und bei einem stabilen Massenfertigungsprozess die Temperatur halten. Selbstverständlich wird diese Temperatur gemessen und notfalls geregelt.
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Insbesondere wird diese Temperatur so geregelt, dass sie im Wesentlichen der Einlegetemperatur des Blechs entspricht die unter 600°C, vorzugsweise zwischen 450 und 550°C liegt. Je niedriger die Temperatur des Blechs ist und umso niedriger die Temperatur des Werkzeuges ist - unter der Bedingung , dass beide über der Martensitstarttemperatur des Bleches liegen - desto geringer fällt ein erweichender Effekt auf die Stahllegierung des Werkzeuges aus. Dies erhöht die Standzeit der temperierten Werkzeugbereiche deutlich.
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Um eine entsprechende Umwandlung der weicher bzw. duktiler verbleibenden Bereiche des Bleches sicher zu stellen und insbesondere zur Einstellung der Phasen in diesen Bereichen (Bainit, Ferrit, Perlt und ggf. weitere) kann eine Temperaturnachbehandlung sinnvoll sein. Da bei höheren Temperaturen oder längeren Zeiträumen diese Phasenumwandlung besser und schneller erfolgt als bei tieferen Temperaturen oder kurzen Zeiten, wird das Blech nach erfolgter Umformung aus dem Werkzeug entnommen und in eine Temperier- und Haltestation überführt, wenn dies gewünscht ist.
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Die Temperier- und Haltestation besitzt in den Bereichen, in denen das Blech hart verbleiben soll, entsprechende Isolierungen um ein Aufheizen dieser Bereiche zu verhindern. Beispielsweise werden hierfür auch Kühlbacken eingesetzt. In den übrigen Bereichen erfolgt eine Temperierung auf einen Bereich zwischen 450 und 590°C.
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Die Temperierung kann frei in einem Ofen oder in einem Temperierwerkzeug, in dem das Blech klemmend gehalten ist, erfolgen. Das Temperierwerkzeug kann von der Form her einem Umformwerkzeug entsprechen, wobei das fertig umgeformte Blech in diesem Werkzeug aber keine Umformung mehr erfährt. Insbesondere wird das bereits umgeformte Blech in dem Werkzeug vollflächig, gegebenenfalls aber auch nur teilflächig gehalten und fixiert.
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In dem Werkzeug wird das umgeformte Blech bzw. das durch das Umformen erzielte Blechbauteil so lange in dem Werkzeug belassen, bis eine gewünschte Umwandlung erzielt ist. Anschließend wird das Bauteil entnommen und kann z.B. an Luft abkühlen.
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Da üblicherweise die Umformpresse schneller arbeitet als die Temperier- und Haltestation, ist es vorteilhaft, wenn mehrere Temperier- und Haltestationen vorhanden sind; vorzugsweise so viele Stationen, dass die Taktrate der Umformpresse im Prozess nach den Haltestationen wieder eingehalten wird.
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Zur Taktoptimierung ist somit eine Mehrzahl von Haltestationen vorteilhaft, insbesondere eine Anzahl von Haltestationen, die der Haltezeit in der Haltestation dividiert durch die Haltezeit in der Umformpresse entspricht.
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Für den Fall, dass entweder eine ausreichende Umwandlung schon in der Umformpresse stattgefunden hat, können auch ein oder mehrere Auslaufbänder parallel neben den Haltezonen angeordnet sein. Auf diesen können die umgeformten Bleche entsprechend abkühlen und nachfolgenden Prozessschritten zugeführt werden.
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Dies ist auch dann sinnvoll, wenn zum Beispiel vollgehärtete Bauteile zwischendurch gefertigt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012105580 [0011]
- EP 3268154 A1 [0015]
- DE 102007047314 A1 [0016]
- EP 2233593 A2 [0017]
- EP 2931453 B1 [0018]
