Kurzzeitaustenitisierung höchstfester Stähle - eine zeiteffiziente Methode zur Fertigung sicherheitsrelevanter Bauteile mit verbesserten Eigenschaften

 
 
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  • 1. Auflage
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  • erschienen am 20. Mai 2020
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  • 140 Seiten
 
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978-3-7519-6363-3 (ISBN)
 
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Kurzzeitaustenitisierung mit anschließendem Presshärten und kathodischer Tauchlackierung auf die mikrostrukturellen Umwandlungen und die mechanischen Eigenschaften eines Mangan-Bor-Stahls untersucht. Die Effekte der mikrostrukturellen Umwandlungen auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften wurden mit denen einer konventionellen Austenitisierung im Ofen verglichen. Außerdem wurde analysiert, inwiefern die Mikrostruktur des Ausgangsmaterials das Ergebnis der Kurzzeitaustenitisierung beeinflusst.
In Abhängigkeit von der Dicke und der Mikrostruktur des Ausgangsmaterials, wurden zudem jene Prozessparameter der Kurzzeitaustenitisierung experimentell bestimmt, welche zum einen die geforderte Qualität von pressgehärteten Bauteilen gewährleisten, und zum anderen ein zeiteffizientes Presshärten im Vergleich zur konventionellen Austenitisierung im Ofen ermöglichen, wie beispielsweise die Erwärmungstemperatur und -dauer. Mit den so festgelegten Parametern wurden schließlich Demonstrator-Bauteile einer Kurzzeitaustenitisierung unterzogen, pressgehärtet, kathodisch tauchlackiert und abschließend charakterisiert.
1. Auflage
  • Deutsch
  • 5,42 MB
978-3-7519-6363-3 (9783751963633)
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2 Stand der Technik


2.1 Presshärten und Nachbehandlung der sicherheitsrelevanten Bauteile

Konventionelles Presshärten

Der konventionelle Herstellungsprozess sicherheitsrelevanter Karosserieelemente, wie z. B. Frontstoßfänger oder B-Säulen, aus höchstfesten Stählen ist unter der Bezeichnung "Presshärten" bekannt [Gei07]. Dieser Prozess besteht aus drei wesentlichen Schritten: Erwärmung der Ausgangsplatine, Warmumformung und Abschrecken der umgeformten Platine. Durch die Umformung der Platine im warmen und somit spannungsfreien Zustand lassen sich Bauteile mit einer hohen Genauigkeit in einem einzigen Umformschritt herstellen [Egg13]. Nach dem Presshärten weisen die Bauteile abhängig vom verwendeten Werkstoff sehr hohe Festigkeiten von 1000 MPa bis hin zu 1900 MPa auf. Die Duktilität ist relativ gering: Die Bruchdehnung beträgt nur 5 % bis 10 % [Ger16, Arc17].

Grundsätzlich kann das Presshärten in zwei Prozessrouten unterteilt werden: direktes und indirektes Presshärten [Kar10b]. Die beiden Prozessrouten sind in Abbildung 2-1 schematisch dargestellt.

Abbildung 2-1: Prozessroute des direkten a) bzw. indirekten b) Presshärtens [Eng06]

Die konventionelle Prozesskette des direkten Presshärtens (Abbildung 2-1 a), erläutert am Beispiel eines Bauteiles aus Stahl 22MnB5, besteht aus folgenden Schritten:

  1. Zuschnitt der Platine aus einem warmgewalzten (bei d = 1,8 mm) oder kaltgewalzten und nachfolgend geglühten (bei 0,7 mm < d < 1,8 mm) Blech-Coil [Egg13, thy17, Arc17].
  2. Erwärmung dieser Platine auf die Austenitisierungstemperatur, also auf über ca. 850 °C [Len08], üblicherweise in einem gasbeheizten Rollenherdofen [Leh08]. Während der Erwärmungsphase findet in der Mikrostruktur die austenitische Umwandlung statt, sodass die Platine einerseits eine gute Umformbarkeit aufweist und anderseits bei einer schnellen Abkühlung gehärtet werden kann [Mer08, Kar10b]. Die Dauer dieses Schrittes hängt vom verwendeten Material ab und kann zwischen 3 min und 15 min variieren [Kar10a, Wil06].
  3. Transfer der erwärmten Platine in die Presse. Die Transferzeiten sollten möglichst gering sein, um die Abkühlung des Werkstoffes vor dem Presshärten zu minimieren. Die empfohlene Mindesttemperatur der Platine vor dem Presshärten liegt bei ca. 800 °C. Die maximale Transferzeit hängt direkt von der Dicke der erwärmten Platine ab und liegt z. B. für 0,5-mm-Bleche bei ca. 3 s, für 2,5-mm-Bleche bei 11 s [Kar10a].
  4. Warmumformung und nachfolgendes Härten der erwärmten Platine im wassergekühlten Presswerkzeug. Die Umformzeit beträgt bis zu 1,5 s und die empfohlene Mindesttemperatur soll nach der Umformung höher als 650 °C sein [Kar10a, Wil06]. Während des Härtens muss die Abkühlgeschwindigkeit hoch genug sein, um die martensitische Umwandlung zu gewährleisten. Für die weitverbreitete Stahlsorte 22MnB5 liegt die kritische Abkühlgeschwindigkeit nach Angaben verschiedener Autoren zwischen 25 K/s und 30 K/s [Kar10b, Gei05, Fad06]. Die Temperatur des Bauteils nach dem Härten sollte kleiner als 200 °C sein [Kar10a, Wil06], um einen etwaigen Verzug des Bauteils, bedingt durch eine unvollständige martensitische Umwandlung, zu minimieren [Wil06]. Ausgehend von den genannten Rahmenbedingungen des Presshärtevorgangs beträgt die gesamte Pressenschließzeit mit Umformungs- und Härtephase ca. 8-10 s [Kar09, Hip14]. Weiterhin können die Bauteile noch einige Sekunden länger im Werkzeug bleiben, um Eigenspannungen abzubauen, und werden dann erst bei einer Temperatur von 150 °C aus der Presse entnommen. Die gesamte Schließzeit steigt jedoch auf 15-25 s [Ger15].
  5. Nachbearbeitung der pressgehärteten Bauteile. Dieser Schritt umfasst den Zuschnitt, die Phosphatierung und die kathodische Tauchlackierung.

Wie in Abbildung 2-1 b ersichtlich, wird das indirekte Presshärten in zwei Stufen durchgeführt. Zuerst wird die Ausgangsplatine in zwei bis fünf Operationen, abhängig von der Bauteilkomplexität, kaltumgeformt und auf Endkontur geschnitten [Kne07]. Dann wird die vorgeformte Platine wie beim direkten Presshärten austenitisiert und anschließend im wassergekühltem Presswerkzeug kalibriert und gehärtet [Nag12].

Mit Hilfe einer zusätzlichen Umformoperation im kalten Zustand können Bauteile mit einer extrem hohen Komplexität hergestellt werden, die bei einer Warmumformung nicht realisierbar ist [Nag12, Ste07]. Bessere Kontaktbedingungen zwischen dem vorverformten erwärmten Profil und dem Presshärtewerkzeug gewährleisten einen homogeneren Abkühlvorgang während des Härtens, verglichen mit dem direkten Presshärten [Zim14]. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, mit diesem Verfahren Zink-beschichtete Bauteile herzustellen, bei denen zusätzlich zum Schutz gegen Randentkohlung und Zunderbildung während der Erwärmung auch ein kathodischer Korrosionsschutz des Bauteils beim späteren Einsatz im Automobilbau gefordert ist [Sto07]. Zudem ist ein nachträgliches kosten- und zeitintensives Laserschneiden der Bauteile im Gegensatz zum direkten Presshärten nicht erforderlich, da die vorgesehenen Öffnungen im Bauteil durch kostengünstiges Stanzen der Platine im weichen Ausgangszustand realisiert werden [Lau07, Dic08].

Trotz der genannten Vorteile des indirekten Presshärtens ist das Verfahren insgesamt deutlich kostenintensiver als das direkte Verfahren. Die signifikante Steigerung der Produktionskosten im Fall der indirekten Prozessroute ist mit den hohen Anschaffungskosten der zusätzlichen Presse zu erklären. Zudem steigen die Produktionszeiten durch die zusätzliche Umformstufe [Clo14]. Daher wird das direkte Presshärten in der Automobilindustrie bevorzugt eingesetzt [Kol09].

Eine weitere optimierte Prozessroute des direkten Presshärtens wurde von der Firma Voelstalpine für verzinkte Stahlbleche ausgelegt, um das Problem des sogenannten "Liquid Metal Embrittlement", das in Kapitel 2.3 erläutert wird, zu beseitigen [Kei16, Kur15]. Diese Prozesskette unterscheidet sich vom konventionellen direkten Presshärten durch eine zusätzliche Vorkühlung des erwärmten Blechs auf Temperaturen unterhalb von 700 °C mit Hilfe einer beidseitigen Luftkühlung vor der Umformstufe. Jedoch soll die Abkühlgeschwindigkeit bei dieser Vorkühlung mehr als 50 K/s betragen, um eine vorzeitige Phasenumwandlung von Austenit in Ferrit, Perlit oder Bainit zu verhindern. Danach erfolgt die konventionelle Warmumformung mit einer gleichzeitigen Umwandlung des Austenits in Martensit. Gemäß der Literatur ist jedoch eine großserientechnische Realisierung des Prozesses für konventionelle Legierungen wie z. B. 22MnB5 schwierig, da die gleichzeitige Gewährleistung von hoher Abkühlgeschwindigkeit sowie hoher Genauigkeit und Homogenität bei der Abkühlung extrem aufwendig ist [Kei16].

Von Forschern des Instituts für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover wurde im Rahmen des Projekts EFB/AiF 16839N "Prozessoptimierung beim Presshärten" noch eine weitere Prozessroute des direkten Presshärtens erarbeitet. Hierbei wurde auch die Möglichkeit zur Reduktion der Prozesszeit untersucht. Am Anfang des Prozesses wird das Blech konventionell in einem Ofen erwärmt und danach in die Presse transportiert. Nach der Umformung und einer reduzierten Haltezeit in der Presse wird das nicht vollständig abgekühlte Bauteil in eine Spraykühlanlage weitertransportiert und rasch bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Mit der Spraykühlung konnte eine Verringerung der Haltezeiten im Werkzeug bis auf 2,5 s erreicht werden, ohne die mechanischen Eigenschaften oder die Maßhaltigkeit des Bauteils im Vergleich zum konventionell pressgehärteten Bauteil zu beeinträchtigen. Durch diese Prozesszeitverkürzung kann der Presshärteprozess wirtschaftlicher gestaltet werden [Mai15].

Presshärten von Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Wie bereits erwähnt weisen Bauteile im pressgehärteten Zustand sehr hohe Festigkeiten bei niedriger Duktilität und Verformbarkeit auf. Die Verformbarkeit ist jedoch von wesentlicher Bedeutung bei einem Crashfall, da die Crashenergie im Idealfall in Verformungsenergie umgewandelt und damit absorbiert wird [Mer16]. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren neben konventionell pressgehärteten Bauteilen auch Bauteile mit lokal angepassten Eigenschaften eingesetzt. Derartige Bauteile zeigen neben einer verbesserten Crashperformance auch lokal entfestigte Bereiche, die relativ einfach mit einem Hartbeschnitt nachbearbeitet sowie mit anderen Karosserieteilen durch mechanisches Fügen verbunden werden können [Wei16, Mes14b, Feu15, Mes14a].

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