DE102004046119A1 - Einteiliges, durch Umformung hergestelltes Blechhalbzeug und Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Blechhalbzeuges - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein einteiliges, durch Umformung hergestelltes Blechhalbzeug, das durch definierte Zonen unterschiedlicher Festigkeit gekennzeichnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einerseits ein einteiliges, durch Umformung hergestelltes Blechhalbzeug, sowie andererseits ein Verfahren zur Herstellung eines solchen einteiligen Blechhalbzeuges.
• Gegenstand der Erfindung ist ein einteiliges, durch Umformung hergestelltes Blechhalbzeug. Blechhalbzeuge sind z. B. in Form von abgelängten Blechtafeln bekannt, die z. B. durch weitere Umformung z. B. zu Stoßfängern oder Felgen weiterverarbeitet werden. Vorteilhaft ist nun, wenn bei späterer Weiter-verarbeitung oder Anwendung dieses Blechhalbzeuges auf bestimmte Werkstoff- und Geometrieeigenschaften zurückgegriffen werden kann. So ist beispielsweise vorstellbar, dass aus einem solchen Blechhalbzeug ein Werkstück erstellt wird, das aufgrund seiner nachfolgenden Formgebung entsprechend den Festigkeitsanforderungen an bestimmten, vorher festgelegten Stellen eine höhere Festigkeit aufweist, als an anderen Stellen.
• Im Zusammenhang mit der Umformung von Blechen sind bereits mehrere Verfahren, beispielsweise zum Planieren von Metallbändern, bekannt ( EP 1 070 557 A2 ). Hierbei wird derart vorgegangen, dass bei der Herstellung solcher Metallbänder zum Beseitigen von Welligkeiten und Bandsäbeln beim Walzen das Metallband mit einem über die Bandbreite veränderbaren Planiergrad um ein vorgegebenes Maß plastisch verformt wird. Dies geschieht im Wesentlichen dadurch, dass in dem Metallband durch zonenweise Erwärmung oder Abkühlung ein über die Bandbreite veränderbares Temperaturprofil zur Beeinflussung der Zugspannungsverteilung erzeugt wird, wobei der Planiergrad durch die Veränderung der Zugspannungsverteilung eingestellt wird. Wie bereits ausgeführt, erfolgen die oben beschriebenen Maßnahmen vor dem Hintergrund der Erzielung einer Bandplanheit.
• Zur Erzielung einer guten Bandplanheit ist ebenfalls bekannt, beim Walzen von Blechen, Streifen, Bändern und Folien im Bereich von Fehlstellen in Form von Langstellen des Walzgutes, Kühlmittel auf die Walzenballen der Arbeits- oder Stützenwalzen zur Verringerung des Walzenballendurchmessers zonenweise aufzusprühen ( DE 35 16 827 C2 ).
• Aus der DE 197 55 409 A1 ist weiterhin bekannt zur Erzielung von bestimmten Eigenschaften von nichtrostenden Baustählen, wie Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, die thermomechanisch Behandlung aus der Walzhitze heraus zu gestalten. In diesem Zusammenhang wurde gefunden, dass bei Abkühlung der nichtrostenden Stähle direkt aus der Walzhitze heraus Eigenschaften entstehen, die gleich gut oder besser sind, als jene nach der Wärmebehandlung und anschließender Kaltumformung.
• Darüber hinaus ist bekannt, Bauteile einzusetzen, die über ihre Fläche oder ihre Länge eine unterschiedliche Dicke oder Materialzusammensetzung haben. Die Vorprodukte solcher Bauteile werden als "Tailored Blanks" oder "Tailored Strips" bezeichnet. In der Praxis sind für die Herstellung solcher "Tailored Blanks" zwei prinzipiell unterschiedliche Fertigungsverfahren bekannt.
• Nach einem ersten Verfahren werden hierbei zwei Bleche unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlicher Materialzusammensetzung am Stumpfstoß aneinandergeschweißt. Die entsprechenden Produkte werden dann als "Tailor-welded Blanks" bzw. "Tailor-welded Strips" bezeichnet. Der Vorteil eines solchen Herstellungsverfahrens besteht in dem geringen vorrichtungs-technischen Aufwand für die Durchführung dieses Verfahrens.
• Darüber hinaus ist weiterhin bekannt, einen Bandstahl abschnittsweise mit unterschiedlichem Walzspalt kalt zu walzen. Hierbei lassen sich durch Veränderung des Walzspaltes sanfte Übergänge von einem dickeren Bandabschnitt zu einem dünneren Bandabschnitt und umgekehrt erzielen. Allerdings ist die Herstellung dieser auch als "Tailored Blanks", Tailor-rolled Strips" oder "Tailor-rolled Tubes" bezeichneten Varianten auf diese Weise anlagentechnisch sehr aufwendig.
• Aus der WO 00/21695 ist darüber hinaus bekannt, dass die Herstellung eines Metallbandes aus Stahl mit abschnittsweise unterschiedlicher Dicke durch Warmwalzen erfolgt. Im Einzelnen ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, das Band warm zu walzen, wobei das Band vor dem Warmwalzstich abschnittweise durch Kühlen oder Erwärmen auf eine unterschiedliche Temperatur eingestellt wird.
• Aus der EP 1 426 454 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Wärmebehandlung von Stahlblechen in einem Durchlaufofen in der Form erfolgt, dass durch in Durchlaufrichtung nebeneinander liegende Ofenzonen unterschiedlicher Erwärmungstemperatur die mechanischen Eigenschaften für das herzustellende Formteil so beeinflusst werden, dass sich in bei einem nachfolgenden Härten definierte Zonen unterschiedlicher Duktilität einstellen lassen.
• Das erfindungsgemäße einteilige, durch Umformung hergestellte Blechhalbzeug zeichnet sich allerdings durch Zonen unterschiedlicher Festigkeit aus, wobei im Einzelnen in der Art vorgegangen wird, dass die mindestens eine Zone unterschiedlicher Festigkeit gegenüber einer benachbarten Zone durch Erwärmung und nachfolgende Abkühlung während der Umformung dieser Zone herstellbar ist. Hieraus wird deutlich, dass die Zone oder die Zonen unterschiedlicher Festigkeit gegenüber benachbarten Zonen anderer zumeist geringerer Festigkeit zunächst einmal definiert erwärmt werden, wobei die Temperatur im Bereich der Umwandlung des Gefüges des Metalles gewählt ist, um dann während der Umformung, beispielsweise beim Walzvorgang, diese Zonen zur Umwandlung des Gefüges abzukühlen. Das heißt, die Gefügestruktur und damit die Festigkeit in der entsprechenden Zone wird nicht nur durch die Wahl der Temperatur und die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt, sondern auch durch die Umformung, beispielsweise beim Walzvorgang. Das heißt, dass die solchermaßen hergestellten Bleche über ihre Fläche eine durchaus gleiche Dicke aber doch Zonen unterschiedlicher Festigkeit aufweisen können. Es handelt sich hierbei demzufolge um eine thermisch aktivierte Gefügeumwandlung durch sogenannte Martensitbildung. Dabei erfolgt die Einstellung der zur Erreichung des festigkeitssteigernden Effektes notwendigen Temperatur in der Zone bevorzugt mittels induktiver Erwärmung. Die dabei eingestellte Temperaturführung in den entsprechenden Zonen des einlaufenden Blechbandes erfolgt in der Weise, dass ausreichend hohe Aufheizraten (> 6 °C/s) dafür sorgen, dass schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (860 °C) eine vollständige Austenitisierung als wesentliche Voraussetzung für die angestrebte nachfolgende Martensitumwandlung erreicht wird. Bei höheren Austenitisierungstemperaturen sind sogar höhere Aufheizraten und damit höhere Produktivitäten denkbar. Damit ist aus metallurgischen Gesichtspunkten eine explizite Haltezeit der Temperatur nicht mehr erforderlich. Durch eine schnelle Temperaturabfuhr im Kontakt in dem Umformwerkzeug (Walzen) und ggf. zusätzlicher Druckgas- und/oder Flüssigkkeitskühlung kommt es dann bei entsprechend hohen Abkühlraten zur gewünschten Martensitbildung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Blechbauteiles mit definierten Zonen unterschiedlicher Festigkeit zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die definierten Zonen auf ein Temperaturniveau oberhalb oder gleich der Gefügeumwandlungstemperatur, wie oben beschrieben, erwärmt werden, wobei während der nachfolgenden Umformung diese Zonen verformt und abgekühlt werden. Das heißt auch, das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch zwei Parameter aus, die im Wesentlichen zur gleichen Zeit die Festigkeit des Werkstoffs beeinflussen, nämlich zum einen die Erwärmung und Abkühlung, und zum anderen die dabei stattfindende Umformung. Insofern ist auch vorgesehen, dass die Abkühlung durch das Umformwerkzeug, z. B. durch die Walzen, also das Umformwerkzeug, erfolgt.
• Weitere Merkmale der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
• Um ein flächiges Werkstück, beispielsweise ein Blechhalbzeug, im Bereich definierter Zonen zu erwärmen, ist vorgesehen, dass die Erwärmung insbesondere induktiv erfolgt, da durch die induktive Erwärmung tatsächlich abgegrenzte Zonen definiert und relativ schnell aufgeheizt werden können.
• Wie bereits an anderer Stelle erläutert, ist zur Erzielung der gewünschten Festigkeiten in den definierten Zonen eine Aufheizung dieser Zone mit nachfolgender schneller Abkühlung erforderlich. Zur Erzielung eines hohen Temperaturgradienten, also einer hohen Abkühlgeschwindigkeit, ist vorgesehen, dass das Umformwerkzeug und hier insbesondere die Walze eines Walzwerkzeuges gekühlt wird. Denkbar ist allerdings auch, dass zur Erzielung eines solchen hohen Temperaturgradienten in den Walzenspalt ein Kühlmedium eingebracht wird. Das bedeutet, dass während des Walzvorganges die Abkühlung erfolgt.
• Vorteilhaft ist weiterhin vorgesehen, dass die Zone der hohen Festigkeit in dem Blechhalbzeug nicht der weiteren Umformung unterzogen wird. Die Zone der hohen Festigkeit in dem Blechhalbzeug wird insbesondere dadurch erzeugt, dass dort eine Erwärmung oberhalb oder gleich der Gefügeumwandlungstemperatur erfolgt, mit nachfolgender Abkühlung, wie dies bereits beschrieben wurde.
• Eine solche Zone wird bei einem weiteren Umformvorgang des Blechhalbzeuges ausgespart, um insbesondere eine Rissbildung in diesem Bereich zu vermeiden. Nachteilig wären auch höhere Prozesskräfte bei der Umformung auch dieser Zonen höherer Festigkeit.
• Bevorzugte Stahlsorten, die für die Verwendung in einem solchen Verfahren in Frage kommen, weisen einen definierten Mangan- und Boranteil auf. Mangan bewirkt eine Herabsetzung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit, was letztlich zu höheren Festigkeits- und Zähigkeitswerten führt. Bor verzögert die Austenitumwandlung in der Ferritstufe, was letztlich die für die Martensitumwandlung notwendige kritische Abkühlgeschwindigkeit so verringert, dass eine Abkühlung über den Werkzeugkontakt zumeist schon hinreichend ist. Ein typisches Beispiel für einen solchen höchstfesten Vergütungsstahl ist der Stahl 22MnB5 (1,5528), bei dem durch die zuvor genannte thermo-mechanische Behandlung Endfestigkeiten zwischen 1200 und 1600 N/mm2 erreicht werden können.

Claims (12)

1. Einteiliges, durch Umformung hergestelltes Blechhalbzeug, gekennzeichnet durch definierte Zonen unterschiedlicher Festigkeit.
2. Blechhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zone unterschiedlicher Festigkeit zu dem übrigen Material durch Erwärmung und nachfolgende Abkühlung während der Umformung dieser Zone herstellbar ist.
3. Blechhalbzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zur Erwärmung der mindestens einen definierten Zone unterschiedlicher Festigkeit zu dem übrigen Material im Bereich der Gefügeumwandlungstemperatur gewählt ist.
4. Blechhalbzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechhalbzeug über seine Fläche eine gleiche Stärke aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Blechhalbzeuges mit definierten Zonen unterschiedlicher Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Zonen auf ein Temperaturniveau oberhalb oder gleich der Gefügeumwandlungstemperatur erwärmt werden, wobei während der nachfolgenden Umformung diese Zonen verformt und abgekühlt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch das Umformwerkzeug erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung durch Walzen erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der mindestens einen Zone induktiv erfolgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines hohen Temperaturgradienten das Umformwerkzeug gekühlt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines hohen Umformgradienten in den Walzenspalt ein Kühlmedium eingebracht wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone der Gefügeumwandlungstemperatur in dem Blechhalbzeug nicht der weiteren Umformung unterzogen wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Umformverfahren zum Einsatz kommen: Tiefziehen, Gesenkbiegen und/oder Walzprofilieren.