DE102008034596A1

DE102008034596A1 - Hardened sheet steel component producing method, involves heating sheet steel, and locally adjusting cooling process of sheet steel by selectively intervening heat transmission from sheet steel to molding tools

Info

Publication number: DE102008034596A1
Application number: DE102008034596A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schmid; Frank Dr. Ebert; Bernd Woelfer; Siegfried Zehentbauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech, bei dem das Stahlblech zumindest bereichsweise auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt und nachträglich in einem Werkzeug um- oder endgeformt wird, wobei das Stahlblech durch einen Kontakt mit dem Umformwerkzeug stark gekühlt und in der Folge gehärtet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech in einem ersten Werkzueg auf eine erste Temperatur gekühlt wird, wobei durch eine gezielte Beeinflussung des Wärmeübergangs von dem Stahlblech auf das Werkzeug die Kühlung lokal eingestellt wird, und das Stahlblech nachfolgend in einem zweiten Umformwerkzeug auf eine zweite Temperatur gekühlt wird.A method for producing hardened components made of sheet steel, wherein the steel sheet is at least partially heated to a temperature above the Austenitisierungstemperatur and subsequently in a tool or final molded, wherein the steel sheet is strongly cooled by contact with the forming tool and cured in the sequence is characterized in that the steel sheet is cooled in a first Werkzueg to a first temperature, wherein the cooling is adjusted locally by selectively influencing the heat transfer from the steel sheet to the tool, and the steel sheet subsequently in a second forming tool to a second Temperature is cooled.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech, bei dem das Stahlblech zumindest bereichsweise auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt und nachträglich in einem Werkzeug um- oder endgeformt wird, wobei das Stahlblech durch einen Kontakt mit dem Umformwerkzeug stark gekühlt und in der Folge gehärtet wird.The The invention relates to a method for producing cured Components made of sheet steel, in which the steel sheet at least partially heated to a temperature above the Austenitisierungstemperatur and subsequently re-formed in a tool or final is, with the steel sheet by contact with the forming tool strongly cooled and hardened in the sequence.

Ein derartiges Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech ist aus dem Stand der Technik bekannt, wobei im Wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahrensabläufe durchgeführt werden.One Such method for producing hardened components made of sheet steel is known from the prior art, wherein essentially two performed different procedures become.

Beim direkten Warmumformen, das auch als Formhärten bekannt ist, wird eine ebene, auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmte Blechplatine in einem Tiefziehwerkzeug tiefgezogen und gleichzeitig durch den direkten Kontakt mit dem kalten und gegebenenfalls sogar gekühlten Werkzeug in sehr kurzer Zeit auf etwa 200–100°C heruntergekühlt, wodurch der Stahl der Blechplatine in eine martensitische Gefügestruktur überführt wird. Dies steigert die Festigkeit des Werkstoffs und ermöglicht eine Zugfestigkeit von bis zu 1650 MPa. Derartige Bauteile werden beispielsweise im Automobilbau für crash-relevante Strukturen der Karosserie verwendet.At the direct hot forming, also known as tempering is, becomes a level, to a temperature above the Austenitisierungstemperatur heated sheet metal plate deep drawn in a deep drawing tool and at the same time by the direct contact with the cold and if necessary cooled even cooled tool in a very short time to about 200-100 ° C, whereby the steel of the sheet metal blank is converted into a martensitic microstructure becomes. This increases the strength of the material and allows a tensile strength of up to 1650 MPa. Such components are For example, in the automotive industry for crash-relevant structures the body used.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung gehärteter Bauteile aus Stahlblech ist das indirekte Warmumformen, das auch unter dem Begriff ”Presshärten” bekannt ist. Das Presshärten ist beispielsweise in der DE 10 2004 038 626 B3 offenbart. Beim Presshärten wird das Stahlblech im kalten Zustand zunächst tiefgezogen und beschnitten und erst nachträglich erhitzt und wiederum durch ein Abschrecken in einem kalten bzw. gekühlten Werkzeug gehärtet. Im Gegensatz zu dem Prozess der direkten Warmumformung findet beim Presshärten in dem Werkzeug, in dem das erhitzte Stahlblech abgekühlt wird, keine wesentliche Umformung mehr statt. Durch die Fixierung in dem Werkzeug findet lediglich eine Kalibrierung statt, um trotz der mit dem Abschrecken verbundenen Schrumpfung des Werkstoffs passgenaue Baueile fertigen zu können.An alternative method of producing hardened steel sheet components is indirect hot working, also known as "press hardening". The press hardening is for example in the DE 10 2004 038 626 B3 disclosed. In press hardening, the steel sheet is first deep-drawn and trimmed in the cold state and only subsequently heated and in turn hardened by quenching in a cold or cooled tool. In contrast to the process of direct hot forming, no substantial forming takes place during press hardening in the tool in which the heated steel sheet is cooled. Due to the fixation in the tool, only a calibration takes place in order to be able to manufacture accurately fitting components despite the shrinkage associated with the quenching of the material.

Ein wesentlicher Vorteil des Presshärtens gegenüber der direkten Warmumformung ist, dass das im kalten Zustand tiefgezogene Bauteil bereits vor dem Härten beschnitten werden kann. Da bei dem direkten Warmumformen das Tiefziehen gleichzeitig mit der Härtung erfolgt, kann der Beschnitt des Randbereichs sowie das Einbringen von Ausschnitten erst nach dem Härten erfolgen, was jedoch mit einem erheblichen Verschleiß an den Schneidewerkzeugen verbunden ist.One significant advantage of press hardening direct hot forming is that deep-drawn in the cold state Component can be trimmed before curing. Since in direct hot forming deep drawing simultaneously with Curing takes place, the trimming of the edge area and the introduction of cutouts only after curing done, but with a considerable amount of wear connected to the cutting tools.

Durch die beschriebene Technologie der direkten oder indirekten Warmumformung wird der Stahl des Blechbauteils zwar fester, jedoch auch spröder, weil die Bruchdehnung erheblich abnimmt. In vielen Fällen besteht jedoch die Anforderung, dass hochfeste Bauteile in bestimmten Bereichen duktil, d. h. plastisch sein sollen, da bei diesen Bauteilen beispielsweise im Crashfall ein höheres Energieabsorptionsvermögen erforderlich ist. Diese Karosseriebauteile sollen die Fähigkeit besitzen, Kräfte sehr schnell aufzunehmen, ohne jedoch zu reißen oder zu brechen, wozu es erforderlich ist, dass diese Bauteile in gezielten Bereichen duktil sind. Im Gegensatz dazu besteht die Gefahr, dass spröde Werkstoffe im Crashfall bersten, womit zum einen eine lediglich geringe Energieabsorption verbunden ist und zudem Verletzungen durch herumfliegende Bruchstücke verursacht werden können.By the described technology of direct or indirect hot forming Although the steel of the sheet metal component is stronger, but also brittle, because the elongation at break decreases considerably. In many cases However, there is a requirement that high-strength components in certain Areas ductile, d. H. should be plastic because of these components For example, in the event of a crash, a higher energy absorption capacity is required. These body parts are said to have the capability possess powers very quickly, but without to tear or break what it is necessary for that these components are ductile in targeted areas. In contrast There is a risk that brittle materials in the event of a crash burst, which on the one hand only a small energy absorption and injuries caused by flying debris can be caused.

Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, durch Einbringen eines zusätzlichen Prozessschrittes, dem sogenannten Anlassen bzw. Tempern, die Härte des Bauteils zu reduzieren und die gewünschten Werkstoffeigenschaften (Härte, Zugfestigkeit und Zähigkeit) des Stahls einzustellen. Dazu wird das Karosseriebauteil nach dem Warmumformen in einem Anlassofen erneut erwärmt. Die Höhe der Anlasstemperatur und die Verweildauer in dem Ofen hängen dabei insbesondere von den Legierungsanteilen des Stahls sowie von den einzustellenden Werkstoffeigenschaften ab. Grundsätzlich gilt, dass je höher die Anlasstemperatur und je länger die Ofenzeit ist, desto geringer die Härte wird; dafür nimmt im gleichen Maße die Zähigkeit zu. Das Anlassen wird je nach Gehalt der Legierungselemente und insbesondere des Kohlenstoffs im Stahl im Temperaturbereich von 100–350°C, bei hochlegierten Stählen bis 600°C und einer Verweilzeit des Bauteils im Ofen von ca. 5 bis 10 Minuten durchgeführt. Das nachträgliche Anlassen stellt jedoch einen zusätzlichen Prozessschritt dar und erhöht damit die Fertigungskosten. Durch das bekannte Anlassen kann zudem die Härte bzw. die Zugfestigkeit nur über das gesamte Bauteil eingestellt werden. Häufig wäre es jedoch wünschenswert, wenn bestimmte Materialkennwerte lediglich in einem definierten Bereich der Bauteile eingestellt werden könnten.Out the prior art, it is therefore known by introducing a additional process step, the so-called tempering or tempering, to reduce the hardness of the component and the desired material properties (hardness, Tensile strength and toughness) of the steel. This will be the bodywork component after hot forming in a tempering furnace reheated. The height of the tempering temperature and the residence time in the oven depend in particular of the alloying proportions of the steel as well as the ones to be adjusted Material properties. In principle, that ever higher the tempering temperature and the longer the furnace time is, the lower the hardness becomes; takes for it to the same extent the toughness too. The tempering Depending on the content of the alloying elements and in particular the Carbon in steel in the temperature range of 100-350 ° C, for high-alloy steels up to 600 ° C and one Residence time of the component in the oven of about 5 to 10 minutes. However, the subsequent tempering is an additional Process step, thereby increasing the manufacturing costs. By the known tempering also the hardness or the Tensile strength adjusted only over the entire component become. Often, however, it would be desirable if certain material characteristics are only defined Range of components could be adjusted.

Um dieses durchführen zu können, wird beispielsweise in der WO 2006/038868 A1 vorgeschlagen, in definierten Bereichen der mit dem Stahlblech in Kontakt kommenden Formfläche des Werkzeugs Ausnehmungen vorzusehen, so dass ein direkter Kontakt dieser Formflächen mit dem Stahlblech verhindert und durch die isolierende Luftschicht in diesen Bereichen ein deutlich verminderter Wärmeübergang von dem Stahlblech auf das Werkzeug erreicht wird. Auf diese Weise wird in den entsprechenden Bereichen die Härtung des Stahlblechbauteils erheblich reduziert und im gleichen Maße die Duktilität erhalten. Das in der WO 2006/038868 A1 offenbarte Verfahren ermöglicht somit die gezielte Einstellung der Werkstoffkennwerte in einzelnen Bereichen des Bauteils. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass durch den fehlenden Kontakt des Stahlblechs mit dem Werkzeug während des Presshärtens eine geringe Maßhaltigkeit des hergestellten Bauteils verbunden ist.To accomplish this, for example, in the WO 2006/038868 A1 proposed to provide recesses in defined areas of the coming into contact with the steel sheet mold surface of the tool, so that direct contact of these mold surfaces with the steel prevents and is achieved by the insulating air layer in these areas a significantly reduced heat transfer from the steel sheet to the tool. In this way, the hardening of the sheet steel component is considerably reduced in the corresponding areas and the ductility it to the same extent hold. That in the WO 2006/038868 A1 Thus disclosed method thus allows the targeted adjustment of the material properties in individual areas of the component. A major disadvantage of this method, however, is that due to the lack of contact of the steel sheet with the tool during press hardening a small dimensional stability of the manufactured component is connected.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem gehärtete Bauteile aus Stahlblech hergestellt werden können, deren Werkstoffkennwerte lokal differenziert eingestellt werden können, die jedoch gleichzeitig eine hohe Maßhaltigkeit aufweisen.outgoing From this prior art, the invention is based on the object to specify a method by which hardened components are made of sheet steel can be produced, their material properties locally can be set differentiated, but at the same time have a high dimensional stability.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.These The object is achieved by the subject matter of the independent patent claim solved. Advantageous embodiments of the present invention Invention are the subject of the dependent claims.

Der Kern der Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech vor, bei dem das Stahlblech zumindest bereichsweise auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt und nachträglich in einem Werkzeug um- oder endgeformt wird, wobei das Stahlblech durch einen Kontakt mit dem Umformwerkzeug stark gekühlt und in der Folge gehärtet wird, und wobei das Stahlblech in einem ersten Werkzeug auf eine erste Temperatur gekühlt wird, wobei durch eine gezielte Beeinflussung dies Wärmeübergangs von dem Stahlblech auf das Werkzeug die Kühlung lokal eingestellt wird und das Stahlblech nachfolgend in einem zweiten Umformwerkzeug auf eine zweite Temperatur gekühlt wird.Of the Core of the invention provides a method for producing hardened Components made of sheet steel, in which the steel sheet at least partially heated to a temperature above the Austenitisierungstemperatur and subsequently re-formed in a tool or final is, with the steel sheet by contact with the forming tool strongly cooled and subsequently hardened, and wherein the steel sheet in a first tool on a first Temperature is cooled, with a targeted influence this heat transfer from the steel sheet to the Tool the cooling is adjusted locally and the steel sheet below cooled in a second forming tool to a second temperature becomes.

Durch die erfindungsgemäße zweistufige Abkühlung in verschiedenen Werkzeugen ist es möglich, in dem ersten Werkzeug die Werkstoffkennwerte entsprechend den geforderten Eigenschaften lokal differenziert einzustellen, wobei eine damit gegebenenfalls einhergehende mangelnde Maßhaltigkeit des Bauteils durch ein nachträgliches kalibrierendes Abschrecken in dem zweiten Werkzeug zu kompensieren.By the two-stage cooling according to the invention in different tools, it is possible in the first Tool the material properties according to the required properties to set locally differentiated, whereby one if necessary accompanying lack of dimensional stability of the component a subsequent calibrating quenching in the second Compensate tool.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Stahlblech in denn ersten Werkzeug umgeformt und in dem zweiten Werkzeug endgeformt (kalibriert), was einer Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Prozessfolge des aus dem Stand der Technik bekannten direkten Warmumformens (Formhärten) entspricht.In a preferred embodiment of the present invention The steel sheet is formed in the first tool and in the second tool is final-formed (calibrated), which is a combination the process according to the invention with the process sequence of the known from the prior art direct hot forming (form hardening) equivalent.

Alternativ kann das Stahlblech zunächst kalt umgeformt, dann in dem ersten Werkzeug endgeformt und in dem zweiten Werkzeug erneut endgeformt werden, was einer Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Prozessfolge des indirekten Warmumformens (Presshärtens) entspricht.alternative The steel sheet can first cold formed, then in the first tool and finally reshaped in the second tool become what a combination of the invention Process with the process sequence of indirect hot forming (press hardening) equivalent.

Vorzugsweise wird das Stahlblech in dem ersten Werkzeug auf eine Temperatur von 550°C–450°C, vorzugsweise von 500°C, und in dem zweiten Werkzeug auf eine Temperatur von 220°C bis 80°C heruntergekühlt.Preferably the steel sheet in the first mold is heated to a temperature of 550 ° C-450 ° C, preferably from 500 ° C, and in the second tool a temperature of 220 ° C to 80 ° C cooled down.

Die lokale Beeinflussung des Wärmeübergangs in dem ersten Werkzeug kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass in der mit dem Stahlblech in Kontakt kommenden Formfläche des Werkzeugs eine oder mehrere Vertiefungen, d. h. Bereiche mit Offset zur Bauteiloberfläche ausgebildet werden, die denjenigen Bereichen entsprechen, die sich bei dem fertigen Bauteil durch eine höhere Duktilität auszeichnen sollen. Durch die Vertiefungen in dem Werkzeug wird ein direkter Kontakt mit dem Stahlblech in diesen Bereichen verhindert bzw. der Anpressdruck vermindert, wodurch lokal der Wärmeübergang von dem Stahlblech auf das erste Werkzeug reduziert wird.The local influence on the heat transfer in the The first tool can preferably take place in that in the with the steel sheet coming into contact molding surface of the Tool one or more wells, d. H. Areas with offset be formed to the component surface that those Areas corresponding to the finished component by a should distinguish higher ductility. By the Recesses in the tool will make direct contact with the steel sheet prevents or reduces the contact pressure in these areas, whereby locally the heat transfer from the steel sheet reduced to the first tool.

Eine alternative Möglichkeit zur Beeinflussung des Wärmeübergangs kann darin liegen, die entsprechenden Bereiche der Kontaktfläche und im darunterliegenden Werkzeugaufbau aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen, die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass Einsätze aus einem Werkstoff (z. B. Keramik) in entsprechende Ausnehmungen in der Kontaktfläche des Werkzeugs, das in der Regel aus Stahl besteht, eingebracht werden. Durch die geringere Wärmeleitfähigkeit der beispielhaft genannten Keramik wird in diesen Bereichen ein geringerer Wärmeübergang während der Bearbeitung in dem ersten Werkzeug erzielt.A alternative possibility for influencing the heat transfer may lie in the corresponding areas of the contact surface and in the underlying tool structure made of different materials to manufacture the different thermal conductivities exhibit. This can be done, for example, by stakes from a material (eg ceramic) into corresponding recesses in the contact surface of the tool, which is usually off Steel is to be introduced. Due to the lower thermal conductivity The exemplified ceramics will be used in these areas less heat transfer during processing achieved in the first tool.

Eine weitere alternative Möglichkeit kann vorsehen, die entsprechenden Bereiche der Kontaktfläche mit einer den Wärmeübergang verringernden Beschichtung zu versehen.A another alternative option may provide the appropriate Areas of the contact surface with a heat transfer to provide reducing coating.

Selbstverständlich ist es möglich, die beschriebenen verschiedenen Verfahren zur Beeinflussung des Wärmeübergangs auch kombiniert anzuwenden.Of course is it possible to use the described different methods combined to influence the heat transfer apply.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention is described below with reference to an illustrated in the drawings Embodiment explained in more detail.

In den Zeichnungen zeigtIn the drawings shows

1: ein Ablaufdiagramm für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und 1 a flowchart for carrying out a method according to the invention; and

2: in einem Diagramm den Verlauf der Bauteiltemperatur bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1. 2 in a diagram, the course of the component temperature in the implementation of the method according to the invention 1 ,

In der 1 ist ein Ablaufdiagramm für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt wird ein bereits kalt umgeformtes und beschnittenes Stahlblechbauteil mit einer Blechstärke von 1 mm über einen Zeitraum von 220 Sekunden auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur (910°C) erhitzt. Dieser Prozessschritt umfasst ein Aufheizen auf 910°C über einen Zeitraum von 200 Sekunden und ein Durchlegieren der Oberfläche über 20 Sekunden. Daraufhin wird das Bauteil entnommen und zu einem ersten Werkzeug (WKZ 1) transportiert, was einen Zeitraum von 3–4 Sekunden in Anspruch nimmt. Hierbei kann bereits eine Abkühlung auf eine Temperatur von ca. 830°C erfolgen. Nach dem Schließen des ersten Werkzeugs (Dauer: 2 Sekunden) wird das Bauteil innerhalb von ca. 6 Sekunden auf eine Temperatur von ca. 500°C heruntergekühlt. Daraufhin wird das erste Werkzeug geöffnet, das Bauteil in das zweite Werkzeug (WKZ 2) transportiert und dieses ebenfalls geschlossen. Dieser Prozess kann in einem Zeitraum von 3–4 Sekunden abgeschlossen sein. In dem zweiten Werkzeug erfolgt eine weitere Abkühlung auf eine Temperatur von ca. 100°C in einem Zeitraum von 4–5 Sekunden. Nach dem Öffnen des zweiten Werkzeugs (Dauer: 2 Sekunden) und dem Entnehmen des Bauteils (Dauer 1–2 Sekunden) ist die erfindungsgemäße Bearbeitung des Bauteils abgeschlossen, wobei sich eine Zykluszeit von insgesamt 21–24 Sekunden ergibt.In the 1 is a flowchart for performing a method according to the invention shown. In a first step, an already cold-formed and trimmed steel sheet component with a sheet thickness of 1 mm is heated for a period of 220 seconds to a temperature above the austenitizing temperature (910 ° C). This process step involves heating to 910 ° C for a period of 200 seconds and alloying the surface for 20 seconds. Then the component is removed and transported to a first tool (tool 1), which takes a period of 3-4 seconds to complete. Here, a cooling to a temperature of about 830 ° C already take place. After closing the first tool (duration: 2 seconds), the component is cooled down to a temperature of approx. 500 ° C within approx. 6 seconds. Then, the first tool is opened, the component transported in the second tool (WKZ 2) and this also closed. This process can be completed in a period of 3-4 seconds. In the second tool, a further cooling to a temperature of about 100 ° C in a period of 4-5 seconds. After opening the second tool (duration: 2 seconds) and removing the component (duration 1-2 seconds), the machining of the component according to the invention is completed, resulting in a total cycle time of 21-24 seconds.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102004038626 B3 [0004]
WO 2006/038868 A1 [0008, 0008]

Claims

A method for producing hardened components made of sheet steel, wherein the steel sheet is at least partially heated to a temperature above the Austenitisierungstemperatur and subsequently transformed or final formed in a tool, wherein the steel sheet is strongly cooled by contact with the forming tool and cured in the sequence , characterized in that the steel sheet is cooled in a first tool to a first temperature, wherein the cooling is adjusted locally by selectively influencing the heat transfer from the steel sheet to the tool, and the steel sheet is subsequently cooled in a second forming tool to a second temperature becomes.

Process according to claim 1, characterized characterized in that the steel sheet is formed in the first tool and is finally formed in the second tool.

Process according to claim 1, characterized characterized in that the steel sheet is first cold formed, then final formed in the first tool and in the second tool is reshaped again.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the steel sheet in the first tool to a temperature of 450 ° C to 550 ° C, preferably of 500 ° C and in the second tool to a temperature of 80 ° C to 220 ° C is cooled.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the influencing of the heat transfer through the formation of one or more depressions in the achieved with the steel sheet coming into contact surface.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the influencing of the heat transfer is achieved in which different areas of the steel sheet in Contact coming area of materials with different Thermal conductivities are made.

Process according to claim 6, characterized characterized in that inserts into corresponding recesses be introduced in the contact surface.

Process according to claim 6, characterized characterized in that areas of the contact surface coated become.