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Dokumentenidentifikation DE102006042830B3 31.10.2007
Titel Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils aus Stahl
Anmelder Benteler Automobiltechnik GmbH, 33104 Paderborn, DE
Erfinder Böke, Johannes, Dr., 32825 Blomberg, DE;
Gollnick, Jörg, Dr., 33098 Paderborn, DE;
Huschen, Ulrich, 33165 Lichtenau, DE;
Müller, Markus, 33102 Paderborn, DE
Vertreter Bockermann, Ksoll, Griepenstroh, 44791 Bochum
DE-Anmeldedatum 08.09.2006
DE-Aktenzeichen 102006042830
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse C21D 1/02(2006.01)A, F, I, 20060908, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils aus Stahl. Ein Rohling wird auf eine Temperatur größer als der Umwandlungspunkt Ac1 erwärmt. Dann wird der Rohling in den Formraum einer Gesenkpresse eingelegt. Die Umformung zu einem Bauteil sowie die Härtung durch Flüssigkeitskühlung erfolgt beim Schließen der Gesenkpresse. Hierbei ist die Abkühlgeschwindigkeit größer als die kritische Abkühlgeschwindigkeit. Das Bauteil wird auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt. Wesentlich an dem erfinderischen Verfahren ist, dass der Rohling vor dem Schließen der Gesenke zumindest zeitweise mit einem Kühlmedium besprüht wird und dass das Kühlmedium durch Zuflusskanäle (7) in den Gesenken (1) geleitet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils aus Stahl gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Derartige Herstellungsverfahren sind im Stand der Technik beispielsweise durch die DE 24 52 486 A1 bekannt. Ein Rohling wird bis zu einer Temperatur größer als der Umwandlungspunkt Ac1, vorzugsweise größer als Ac3, erwärmt und dann in den Formraum einer Gesenkpresse eingelegt. Die Umformung zu einem Bauteil sowie die Härtung durch Flüssigkeitskühlung erfolgt beim oder nach dem Schließen der Gesenkpresse. Um einen hohen Härtegrad zu erzielen, muss die Abkühlgeschwindigkeit größer sein als die kritische Abkühlgeschwindigkeit. Das Bauteil muss ferner auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt werden. Auf diese Weise wird ein diffusionsloses Umklappen des austenitischen Gefüges des Bauteils in ein martensitisches Gefüge erreicht, das sich durch große Härte und hohe Zugfestigkeit auszeichnet. Grundsätzlich bleibt so genannter Restaustenit bestehen, der in geringen Mengen jedoch unschädlich ist.

Nachteilig an dem Presshärteverfahren der DE 24 52 486 A1 ist, dass nur Rohlinge von geringer Dicke verarbeitet werden können. Beim Bau von gepanzerten Fahrzeugen kommt es beispielsweise darauf an, dickere Stahlplatten zu verarbeiten. Diese können eine Dicke von 1–13 mm aufweisen. Vorteilhaft wäre es weiterhin, wenn diese dicken Stahlplatten komplex geformt werden könnten, so dass sie der Fahrzeuginnenkontur angepasst werden können. Auf diese Weise können die bislang üblichen Konstruktionen mit ebenen, verschweißten Panzerstahlplatten wesentlich verbessert und insbesondere die Anzahl und die Länge von Schweißnähten zur Verbindung von Panzerungsbauteilen reduziert werden. Denn diese Schweißnähte verändern die mechanischen Eigenschaften des Stahls erheblich und führen zu einer Schwächung der Bauteile. Deshalb mussten bisher aufwendige konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, um einen direkten Beschuss der Bauteile im Bereich der Schweißnähte bzw. der Schweißnähte selbst zu verhindern.

Aus der DE 23 53 034 C3 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit und Verbesserung der Verformbarkeit von warmgewalzten Stäben aus Stahl bekannt. Bei diesem Verfahren wird Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils aus Stahl aufzuzeigen, welches eine komplexe Formgebung und eine Härte und Zugfestigkeit aufweist, die den Anforderungen an Beschusssicherheit gerecht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Kernpunkt hierbei ist, dass vor dem Schließen der Gesenke der Rohling zumindest zeitweise mit einem Kühlmedium besprüht wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Warmformen mit Werkzeugkontakt insbesondere ein dickeres Bauteil nicht die erforderliche kritische Abkühlgeschwindigkeit erreicht und damit eine zu geringe Härte und Zugfestigkeit aufweist. Es ist daher eine zusätzliche Flüssigkeitskühlung erforderlich. Eine weitere Erkenntnis ist, dass die mechanischen Eigenschaften des Stahls weiter verbessert werden können, wenn die Flüssigkeitskühlung bereits vor der Warmumformung einsetzt, statt wie bisher üblich beim oder nach dem Warmumformen.

Das Kühlmedium wird durch Zuflusskanäle in den Gesenken geleitet. Das Kühlmedium wird durch die Gesenke hindurch gefördert und trägt dazu bei, die Gesenke zu kühlen.

Durch das Besprühen mit dem Kühlmedium wird die Abschreckung und damit die Härtung des Bauteils bereits vor dem Schließen der Gesenke eingeleitet. Es wird eine höhere Abkühlgeschwindigkeit erreicht, weil beim Zusammenfahren der Gesenke die gesamte Oberfläche des Rohlings gleichmäßig mit dem Kühlmedium besprüht werden kann. Im Ergebnis wird so ein Bauteil mit einer größeren Härte und einer höheren Zugfestigkeit als nach bekannten Verfahren des Standes der Technik erreicht.

In Verbindung mit einer schnellen Umformung ergibt sich zudem ein komplex geformtes Bauteil, das sich gut eignet, um beispielsweise bei der Panzerung von Fahrzeugen verwendet zu werden. Bei der Bauteilformung kommt es durch den Ziehprozess zu Wandstärkenreduzierungen. Diese können beim Umformen bei niedrigeren Temperaturen, wie sie durch das erfindungsgemäß vorgesehene Sprühkühlen erreicht werden, verringert werden, wodurch die Beschussfestigkeit verbessert wird.

Das Bauteil genügt den höchsten Beschussanforderungen und ermöglicht gleichzeitig die Einsparung von Schweißnähten, insbesondere was die Anzahl und deren Länge angeht, so dass mit diesen Bauteilen gepanzerte Fahrzeuge nicht nur leichter, sondern auch kostengünstiger in der Herstellung sind und aufgrund des geringeren Gewichts einen günstigeren Kraftstoffverbrauch aufweisen.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8.

Die Sprühkühlung des Rohlings kann vollständig bzw. vollflächig oder auch nur partiell erfolgen. Bei der partiellen Sprühkühlung werden ausgewählte Bereiche, in denen besondere Härte- und Festigkeitsanforderungen bestehen, dosiert gekühlt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Härten des Bauteils in der geschlossen Gesenkpresse fortgesetzt wird. Dies bedeutet, dass die Gesenke nach Erreichen des unteren Totpunktes nicht sofort wieder auseinander gefahren werden, sondern in der geschlossenen Position für eine Zeitdauer von ca. 10–500 Sekunden gehalten werden. Hierbei kann die Flüssigkeitskühlung fortgesetzt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Bauteil auf eine Temperatur deutlich unterhalb der Martensittemperatur abgekühlt wird und gleichzeitig die gewünschte Form beibehält.

Das Bauteil wird im Bereich von Kontaktflächen des Gesenks mit einer geringeren Abkühlgeschwindigkeit als der kritischen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt. Auf diese Weise können die Umformeigenschaften des Stahls z. B. im Bereich von Radien und flächigen Bereichen durch gezielte Formgebung der Gesenke beeinflusst werden, so dass sich Risse und lokale Abstreckungen beim Umformen vermeiden oder zumindest minimieren lassen. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Flüssigkeitskühlung im Bereich von Radien vorgesehen werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kühlmedium durch Düsen an den Mündungen der Zuflusskanäle vernebelt wird. Auf diese Weise lässt sich eine feine Verteilung des Kühlmediums auf oder in der Nähe der Oberfläche des erwärmten Rohlings erreichen. Es hat sich gezeigt, dass durch den Nebel eine gleichmäßigere und höhere Abkühlgeschwindigkeit auf der gesamten Oberfläche des Bauteils erreichbar ist. Die Mündungen der Zuflusskanäle können zudem auch im Bereich der Kontaktflächen angeordnet sein.

Das Kühlmedium wird im geschlossenen Zustand der Gesenke durch Nuten an der Oberfläche der Gesenke geleitet. Gegenüber dem Stand der Technik bekannten Kühlung der Gesenke durch entsprechende Kanäle in den Gesenken wird durch die Durchleitung von Kühlmedium durch die Nuten eine bessere Kühlwirkung erreicht, weil das Kühlmedium unmittelbar an der Oberfläche des Bauteils entlang geleitet wird. Es hat sich hierbei als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Nuten einen dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Grundsätzlich ist vorgesehen, dass das Kühlmittel über die Nuten im Gesenk abgeleitet wird. Gesonderte Abflusskanäle sind dann nicht erforderlich. Vorteilhaft kann es je nach Ausführung des Gesenks sein, wenn das Kühlmedium im geschlossenen Zustand der Gesenke von den Nuten in Abflusskanäle übergeleitet wird. Durch die Förderung einer großen Menge des Kühlmediums entlang der Oberfläche des Bauteils wird eine höhere Abkühlgeschwindigkeit erreicht, so dass das Bauteil bessere mechanische Eigenschaften aufweist.

Als Kühlmedium wird Wasser, Öl, eine Kühlflüssigkeit oder ein Gemisch derselben verwendet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von einem in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der Figur ist die Oberfläche 2 eines Gesenks 1 dargestellt. Die Oberfläche 2 weist im Querschnitt dreieck-förmige Nuten 35 auf, die in drei Reihen parallel nebeneinander angeordnet sind. In den Nuten 35 sind Bohrungen 6 für Zuflusskanäle 7 und 8 zu erkennen. An allen Mündungen der Zuflusskanäle 7, 8 sind nicht näher dargestellte Düsen vorgesehen. Im geschlossenen Zustand der Gesenke 1 kann Kühlmedium von Zuflusskanälen 7, 8 ausgehend durch die Nut 35 aus dem Gesenk 1 abgeleitet werden. Grundsätzlich können auch gesonderte Abflusskanäle in den Gesenken 1 vorgesehen sein.

Zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils wird ein Rohling aus Stahl auf eine Temperatur größer als der Umwandlungspunkt Ac1 erwärmt und dann in den Formraum einer Gesenkpresse eingelegt. Die Umformung und die Härtung des Bauteils durch Flüssigkeitskühlung erfolgt beim Schließen der Gesenkpresse, wobei die Abkühlgeschwindigkeit größer ist als die kritische Abkühlgeschwindigkeit und das Bauteil auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt wird. Vor dem Schließen der Gesenke 1 wird der Rohling bereits zumindest zeitweise mit Kühlmedium besprüht. Dies erfolgt über die Zuflusskanäle 7 und 8.

Der Rohling wird durch die zwischen den Nuten 35 stehengebliebenen Kontaktflächen 912 zu einem Bauteil umgeformt. Die Abkühlung des Bauteils durch die zwischen den Nuten 35 stehengebliebenen Kontaktflächen 912 erfolgt nicht mit der gleichen hohen Geschwindigkeit, wie es zur Härtung des Bauteils erforderlich wäre. Stattdessen wird im Bereich der Kontaktflächen 912 durch die punktuelle oder linienförmige Auflage die Temperatur im Bauteil weitestgehend erhalten. Die Wärmeabführung erfolgt durch das vorab aufgebrachte Kühlmedium. Durch die dosierte Sprühkühlung vor dem Schließen der Gesenkpresse kann eine Verringerung der Abstreckung erreicht werden. Hierdurch kann eine Wandstärkenreduzierung beim Umformvorgang verringert werden, was zu verbesserten ballistischen Eigenschaften, insbesondere der Beschusssicherheit beiträgt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich pressgehärtete Bauteile von besonders großer Härte und mit hohen Zugfestigkeitswerten herstellen. Diese Bauteile zeichnen sich ferner dadurch aus, dass sie komplex geformt sind, so dass sie im Fahrzeugbau gut zur Panzerung von Fahrzeugen einsetzbar sind. Auf diese Weise lassen sich komplizierte Schweißkonstruktionen mit nachteiligen Schweißnähten vereinfachen, so dass leichtere und kostengünstigere gepanzerte Fahrzeuge aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar sind.

1
Gesenk
2
Oberfläche v. 1
3
Nut
4
Nut
5
Nut
6
Bohrung
7
Zuflusskanal
8
Zuflusskanal
9
Kontaktfläche
10
Kontaktfläche
11
Kontaktfläche
12
Kontaktfläche


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Bauteils aus Stahl, wobei ein Rohling auf eine Temperatur größer als der Umwandlungspunkt Ac1 erwärmt wird, dann in den Formraum einer Gesenkpresse eingelegt wird und die Umformung zu einem Bauteil sowie die Härtung durch Flüssigkeitskühlung beim Schließen der Gesenkpresse erfolgt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit größer ist als die kritische Abkühlgeschwindigkeit und das Bauteil auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schließen der Gesenke der Rohling zumindest zeitweise mit Kühlmedium besprüht wird und dass das Kühlmedium durch Zuflusskanäle (7) in den Gesenken (1) geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling partiell mit Kühlmedium besprüht wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten des Bauteils in der geschlossenen Gesenkpresse fortgesetzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil im Bereich von Kontaktflächen (912) des Gesenks (1) mit einer geringern Geschwindigkeit als der kritischen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium durch Düsen an Mündungen der Zuflusskanäle (7) vernebelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium im geschlossenen Zustand der Gesenke (1) durch Nuten (35) an einer Oberfläche (2) der Gesenke (1) geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium im geschlossenen Zustand der Gesenke (1) von den Nuten (35) in Abflusskanäle übergeleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Wasser, Öl, eine Kühlflüssigkeit oder ein Gemisch derselben verwendet wird.






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