EP2125263B1 - Verfahren und vorrichtung zum temperierten umformen von warmgewalztem stahlmaterial - Google Patents

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EP2125263B1
EP2125263B1 EP08701117A EP08701117A EP2125263B1 EP 2125263 B1 EP2125263 B1 EP 2125263B1 EP 08701117 A EP08701117 A EP 08701117A EP 08701117 A EP08701117 A EP 08701117A EP 2125263 B1 EP2125263 B1 EP 2125263B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steel
die
shaping
temperature
plate
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP08701117A
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English (en)
French (fr)
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EP2125263A1 (de
Inventor
Hans-Jörg KIRCHWEGER
Karl-Heinz Krenn
Wolfgang Kriegner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voestalpine Anarbeitung GmbH
Original Assignee
Voestalpine Anarbeitung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Anarbeitung GmbH filed Critical Voestalpine Anarbeitung GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP2125263B1 publication Critical patent/EP2125263B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/04—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for drawing, e.g. for deep-drawing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C21D9/48—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals deep-drawing sheets

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for tempered forming of hot-rolled steel material.
  • Such forming processes can be carried out both as a hot forming process and as a cold forming process.
  • Fig. 18 The procedure of this procedure is in Fig. 18 shown.
  • the board 101 is arched on the ground.
  • the board 101 can be fixed only in the rest position before deformation in the tool 103.
  • the circuit board 101 is manipulated into the second tool 105 (FIG. Fig. 18 below). In this step, the edges 106, or radii 107 of the workpiece are compressed.
  • embossing of the welding edge can take place.
  • embossing since the indentation is free, a dimensionally pronounced embossing of the edge is difficult to carry out.
  • embossing there is an opposite curvature 108 of the component. This material is pushed into the ground and not used for the expression. However, this causes large upsetting paths to meet the dimensional accuracy of the edge and radii. That is, due to the high compression paths, the tool is subject to a high degree of wear.
  • Typical components that are manufactured in this way are axle bridges of trucks.
  • hot forming is used to reduce the forming force and the bending radii.
  • the bending edges can be compressed, whereby the component undergoes a higher rigidity.
  • Such a method is z. B. from the US 2,674,783 known.
  • this method in the first step, a form and then finally pronounced this preform in a second operation.
  • the component temperature decreases increasingly. This has the consequence that the forming forces increase and just when calibrating, i. the process step with the highest forming force, the forming resistance is very high and reduces the advantage of hot forming. Furthermore, care must be taken that the second transformation must be completed above 750 ° C or 700 ° C.
  • thermocouples were inserted into elongated holes with a diameter of 2 mm and formed with.
  • a detailed view of the forming process shows Fig. 20 , Here it can be seen that the first forming stage at about 790 ° C and the second forming stage at about 680 ° C are completed. However, this means below the minimum forming temperature of 750 ° C, or 700 ° C.
  • Fig. 19 It can also be seen that the conversion of ferrite into austenite either between or during the forming takes place. The exact transformation temperature depends on the alloy composition. The final temperature also indicates that the benefits of hot forming, ie low forming forces, can no longer be asserted in the second forming stage.
  • Normalized annealed or rolled steels achieve their mechanical properties both in the initial state (normalized rolling) and in the annealed condition, provided that this is a normalized annealing.
  • the heat treatment takes place above the A3 temperature. That is, annealing occurs in the single-phase austenitic region. If these steels are cold-formed, a heat treatment should be carried out if the degree of deformation exceeds 5%.
  • the mechanical characteristics are achieved mainly by the formation of a ferritic-pearlitic matrix.
  • the cooling rate must be maintained exactly to ensure the formation of a fine-lamellar perlite. Cooling must be slow, either in still air or in the oven. It is important to ensure that the ferrite and perlite phases are eliminated and that martensite formation is prevented. From 600 ° C, the cooling rate is not critical.
  • the strength of the material is linearly dependent on the Perlitanteil and this in turn of the carbon content. An increase in strength can be achieved for the most part only by a higher carbon content. This means, however, in a further consequence that the weldability decreases. This is recognizable by the increase of the carbon equivalent (see Fig. 15 ).
  • normalized annealed steels For normalized annealed steels, a distinction can be made between normalized rolled products and normalized annealed products, and in the case of normalized rolled products, care must be taken that the last hot rolling is above the austenite recrystallization temperature. This is typically around 950 ° C.
  • the steel recrystallizes completely and the rolling direction is recognizable only due to segregation effects.
  • the recrystallized austenite then converts into ferrite and perlite at a defined cooling rate.
  • boards or components are heated above the A3 temperature and then cooled in a controlled manner. After this heat treatment, the steel recovers the initial properties.
  • the board or component can be formed from the heat. However, it must be ensured that the forming must be completed above 750 ° C. At a degree of deformation of not more than 5%, a temperature of 700 ° C applies.
  • the boards or components are to be cooled in still air.
  • Thermomechanically rolled steels obtain their strength from targeted production during hot rolling.
  • the final strain is carried out below the recrystallization temperature of austenite.
  • the temperature control of the recrystallization is carried out by additional alloying elements. These elements, and here predominantly niobium, increase the re-crystallization temperature of the austenite, so that a sufficient process window arises between the A3 temperature and the recrystallization temperature.
  • the microstructure can no longer recrystallise after the last pass, it has a large number of germs for the transformation of austenite to ferrite due to the stretched rolling structure.
  • the result is a very fine-grained microstructure consisting mainly of ferrite and too little bainite.
  • Bainite is a very fine lamellar pearlite that can only solidify in imbalance. This is done by a controlled rapid cooling after the last pass. An additional effect is an increase in the toughness of the material.
  • Solidification in equilibrium requires slow cooling rates, this applies more to normalizing rolled steels.
  • alloying elements in precipitated form as carbides, nitrides or carbonitrides prevent grain growth above 1100 ° C. This also has an advantageous effect in the coarse grain zone of the heat-affected zone during welding.
  • Normalized annealed steels exhibit critical behavior in the manufacture of hot strip at high strengths due to alloy composition. Due to the lower alloy content of TM steels, they can be produced with significantly higher strengths.
  • Acid gas resistant steels are made in the same process as thermomechanical steels. Due to their field of application, however, they are shown in the standard API spec 51 or DIN EN 10208-2. These sheets are characterized by extremely low levels of impurities such as sulfur. This causes recombination of the hydrogen to H 2 , that is, cracking in the vicinity of manganese sulfides, to be prevented. On the other hand, the toughness is greatly improved even at very low temperatures. Furthermore, the low carbon content reduces the formation of center segregation. This prevents the formation of hard phases in the matrix. To increase the strength, the cooling end temperature must be reduced. The result is a steel with a very fine ferritic microstructure.
  • Fig. 16 A comparison of the manufacturing paths in the hot rolling mill is the Fig. 16 refer to. Here is the difference in the final deformation clearly visible. With the cooling conditions from the rolling heat, the microstructure formation during thermomechanical rolling can still be influenced.
  • the different structures of normalized rolled, or annealed and thermomechanically rolled are the Fig. 17 refer to.
  • T temperature
  • TRS austenite recrystallization temperature
  • TM thermomechanical
  • ACC accelerated cooled
  • the chemical compositions of normalized rolled steel can be found in the standards DIN EN 10149-3 and DIN EN 10025-3.
  • the chemical composition of thermomechanically rolled steel is shown in the standard DIN EN 10149-2. If one compares steel grades with the same minimum yield strength, then the higher carbon contents can be seen in normalized rolled steels.
  • thermomechanical steels show better formability at the same yield strengths.
  • An embossing of the edges, or a weld preparation is not possible in the cold forming, since the forces would be too large. For this reason, an economic design of a press for components with complex geometry is no longer present.
  • the object of the invention is to provide a method which is simple and quick to carry out, with respect to the tool wear is improved and a better controllable Process with lower costs results.
  • the material is indeed heated, but subjected to no phase transformation, that is, the transformation takes place in the ferritic, pearlitic or bainitic region. Neither the eutectoid nor the recrystallization temperature should be exceeded.
  • steels can be used, which at temperatures up to max. 700 ° C stable structure possess.
  • thermomechanically rolled steels since they have a stable structure. These steels are also released for stress relief annealing, which occurs approximately in the same temperature range. When using these steels, care must be taken that no recrystallization occurs during the heating and subsequent forming.
  • Multiphase steels also have martensitic phases in the matrix. However, this martensite is annealed at such high temperatures and thereby changes the mechanical characteristics of the steel grade.
  • the method according to the invention advantageously makes it possible to reshape without scale. While in known forming processes with temperatures of 900 ° C and higher thick scale layers occur in this case, only thin O-xidphase formed on the surface of the workpiece. comparing unhardened hot strip with inventively formed components, no difference in surface formation is apparent.
  • Fig. 1 and 2 show the structure of the tool. Depending on the type of applications, the tool parts can be carried out cooled.
  • the stamp 2 which generates the shape of the component and the Regeleisten to the expression of small radii and, if necessary, the welding preparation.
  • This spring package may consist of steel springs and hydraulic spring / damper systems or gas springs.
  • the die insert 3 In the lower part 11 are the die insert 3 and the die 6 itself.
  • the spring assembly 5 for controlling the die insert 3 may also consist of steel springs and hydraulic spring / damper systems or gas springs.
  • a processing of the welding edge allows the further use of components for component production without a machining intermediate machining of the edge.
  • Fig. 3 shows the necessary forming forces as a function of the temperature on an identical component. From this diagram it can be seen that hot forming at 900 ° C halves the pressing forces compared to tempered forming. However, since the final temperature drops to 700 ° C in the two-stage hot forming process, the forming forces increase to 1.5 times (-..- line). Considering further that two components are in the press, it can be assumed that the press must be designed similarly to the tempered forming. In addition, the increased friction at 900 ° C is clearly visible. While at lower temperatures, the force decreases after the first forming, the Umformwiderstand at 900 ° C remains approximately constant, which suggests increased friction due to the present Zunders in Zargen Symposium. This phenomenon occurs in step 2 in Fig. 18 during the forming.
  • the temperature profile of the tempered forming according to the invention is the example of a transformation of 700 ° C in Fig. 4 seen.
  • the second occurs while a maximum temperature loss of only about 120 ° C.
  • a reduction of the initial temperature of approx. 240 ° C results in a reduction of the final temperature of only 100 ° C.
  • Fig. 5 Another example is in Fig. 5 seen.
  • the board temperature at the beginning of the forming was 500 ° C.
  • the evaluation shows that in the region of the bottom and the frame, the temperature loss is less than 100 ° C, while in the region of the edge, ie at the point where the Regeleisten attack, a reduction in the forming temperature of more than 150 ° C occurs. Due to the heat conduction in the component, however, an immediate increase in the temperature is still the opening of the press.
  • Fig. 6 shows the dependence of the oxidation rate of iron on air as a function of the temperature. If one selects the oxidation rate at 600 ° C as a reference, the rate increases sevenfold at 700 ° C and 230 times at 950 ° C. This makes the advantage of tempered deformation according to the invention clearly.
  • the drastic reduction of oxide formation on the component surface reduces the wear of the tool.
  • the second cost effect is the increase in the cycle time, since the intermediate cleaning of the tool can be many times less, or
  • the cooling rate has only a small influence on the mechanical properties of the material after forming, while with the use of normalizing rolled steels, the cooling rate is an essential function for achieving the mechanical properties.
  • the yield strength increases due to accelerated aging effects. Furthermore, precipitations can still form.
  • Short term temperatures e.g. occur during flame straightening, if they are carried out according to the delivery condition of the starting material, can be carried out analogously to the starting material.
  • thermomechanical steels since the already good formability at room temperature is improved by the tempered forming and the process can be supplemented by upsetting processes.
  • the tempered forming according to the invention does not limit the further processing with respect to welding or surface coatings. This method makes it possible to produce complex components with high strengths without restriction to subsequent processes. Due to the hot forming, for example, only normalizing rolled steels can be used. As already described, these are much more critical to welding due to their alloy composition. In addition, due to the high temperature, the surface needs to be cleaned considerably more expensively.
  • AC1 eutectoid temperature
  • the softening zone With tempered steel (V), the softening zone is designed to be much wider, since it also undergoes transformations below the ACl. In this case, tempering effects occur and thus change the mechanical properties of the material. In addition, due to the higher carbon content, there is an increased carburization in the transition region from the melt to the heat-affected zone. This is particularly critical under dynamic loading as it acts like a metallurgical notch.
  • the method allows, so to speak, the use of standardized steels, provided that the annealing conditions are maintained analogous to stress relief annealing. During production, however, a recrystallization must be avoided during the forming, as this is accompanied by a reduction in strength. Steels are used which have a strong tendency to start, e.g. due to martensitic phases, a loss of strength is to be expected.
  • thermomechanically rolled steel for tempered forming is shown in FIG Fig. 9 shown.
  • the samples were heated to the respective temperature within 15 minutes. In all cases, a complete warming could be ensured. Subsequently, the samples were cooled in air, in water or between two cooled copper plates.
  • the Evaluation shows that up to a temperature of 700 ° C the mechanical properties are at least equal to the initial values. An increase in the yield strength is due to accelerated aging. Above 700 ° C, a change in the structure occurs, the formation of austenite begins. A softening of the thermomechanically rolled steel is the result.
  • the method described above for the production of components by means of tempered forming can be carried out by different tool designs. Furthermore, the functions of springs, hydraulic dampers and gas pressure dampers can also be taken over by the press itself. Depending on the number of pieces and the accuracy of the components, water cooling can be carried out in the tools. In contrast to curing in water-cooled tools, in this case, no such cooling rates must be achieved. The cooling is intended to protect the tool and its functions from thermal stress.
  • the board 1 between the punch 2 and die insert 3 is clamped. This can prevent slippage of the board.
  • the forming is done due to the omission of a die insert, i. the board is not guided.
  • chipping scale can affect the operation of the die insert.
  • Spring 4 and spring 5 are on bias.
  • step 4 can be skipped.
  • Spring 1 is displaced to preload, spring 2 by stamp and the die insert 3 is based on die 6 from.
  • the die insert 3 also serves to eject the component and can accommodate the next board in this position.
  • Board 1 is clamped between die 6 and 2 stamp.
  • a die insert may support the clamping (not shown).
  • F1, F2 and F3 see note in Fig. 11 ,
  • the components are freely deformed when leaving the Matrizen injuredes. F1, F2 and F3 without change.
  • stamp 2 is retracted, this is done by the control of F1. Stamping strips 8 come into contact with the frame 9. F2 and F3 remain unchanged.
  • Top 7 moves down, F3 is completely displaced.
  • F2 is proportionately displaced by this amount. This causes a displacement of the material in the corners, without a high friction occurs in the frame area.
  • Board 1 is clamped between die 6 and 2 stamp.
  • a die insert may support the clamping (not shown).
  • F1 and F2 see note in Fig. 12 ,
  • the components are freely deformed when leaving the Matrizen injuredes. F1 and F2 without change.
  • the bottom area is clamped between punch 2 and 9 Vorwölber. F1 and F2 without change.
  • F1 is displaced by the downward movement of the upper part 7, so that the stamping strips 8 press the component into the die 6 in the corner area.
  • F2 remains unchanged.
  • Stamp 2 and recuperative 8 simultaneously go down and emboss the component. This F2 is displaced.
  • Board 1 is clamped between die 6 and 2 stamp.
  • a die insert may support the clamping (not shown).
  • F1 and F2 see note in Fig. 12 ,
  • the components are freely deformed when leaving the Matrizen injuredes. F1 and F2 without change.
  • the bottom area is clamped between punch 2 and 9 Vorwölber. F1 and F2 without change.
  • the stamp 2 holds its position by controlled displacement of F1.
  • the upper part 7 moves downwards, so that the stamping strips 8 press the component in the corner area into the die.
  • F2 remains unchanged.
  • Stamping bars move to the final dimension of the component and the punch remains in a constant position
  • F1 controls the relative movement to the stamping bar so that the punch position remains constant.
  • F2 remains unchanged.
  • a method and a device are provided, with which a guided deformation, including the upsetting of material, embossing of welding edges and the component ejection within a tool can be performed reliably, quickly and safely, wherein due to the process control, in particular the low temperatures, less wear occurs, the cycle time is increased and more compact furnace systems are available.
  • the scale formation is reduced, which reduces post-processing and gives the opportunity to produce complex components from higher-strength TM steels.
  • bare sheet metal but also coated sheet metal can be used.
  • Suitable coatings are electrolytic or the most diverse hot dip galvanizing, optionally with an alloying step, zinc-aluminum or aluminum-zinc layers, aluminum layers but also nano-layers, etc.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum temperierten Umformen von warmgewalztem Stahlmaterial.
  • Es ist bekannt, aus Stahlblech durch Umformungen, wie Tiefziehen, geeignete Bauteile zu erzeugen. Hierbei werden sowohl warmgewalzte als auch warm- und kaltgewalzte Stahlgüten verwendet.
  • Derartige Umformverfahren können sowohl als Warmumformverfahren als auch als Kaltumformverfahren durchgeführt werden.
  • Im Allgemeinen wird mit Warmumformung eine Umformung im austenitischen Gebiet beschrieben. Dabei soll die maximale Temperatur von 980°C nicht überschritten werden, wenn keine zusätzliche Glühung mehr stattfinden soll. Des weiteren muss die Umformung oberhalb von 750°C abgeschlossen sein und die Abkühlung muss anschließend an ruhender Luft erfolgen. Für dieses Verfahren können nur Stähle für das Normalglühen eingesetzt werden, da sie die Festigkeiten auch nach einer Glühung bei 950°C gewährleisten.
  • Der Ablauf dieses Verfahrens ist in Fig. 18 dargestellt. In diesem Fall wird die zumeist auf Endkontur beschnittene Platine 101 in den ersten Teil 102 des Werkzeuges 103 eingelegt und frei umgeformt. Dabei wird, wie in Schritt 2 der Abbildung ersichtlich, die Platine 101 am Boden gewölbt. Bei diesem Prozess kann die Platine 101 nur in der Ruhelage vor der Verformung im Werkzeug 103 fixiert werden. Sobald das Oberteil 104 des Werkzeuges 103 in Kontakt mit der Platine 101 tritt, kommt es zu einer ungeführten, freien Umformung (Fig. 18 oben). Nach dieser Umformung wird die Platine 101 in das zweite Werkzeug 105 manipuliert (Fig. 18 unten). Bei diesem Schritt werden die Kanten 106 , bzw. Radien 107 des Werkstückes gestaucht. Gleichzeitig kann, wenn erwünscht eine Prägung der Schweißkante erfolgen. Da jedoch die Einformung frei erfolgt, ist ein maßhaltiges Ausprägen der Kante nur schwer durchführbar. Während des Prägens kommt es zu einer gegensätzlichen Wölbung 108 des Bauteiles. Dabei wird Material in den Boden geschoben und nicht für die Ausprägung verwendet. Dies verursacht jedoch große Stauchwege, um die Maßhaltigkeit der Kante und Radien zu erfüllen. Das heißt, aufgrund der hohen Stauchwege unterliegt das Werkzeug zwangsbedingt einem hohen Verschleiß. Zusätzlich muss noch berücksichtigt werden, dass bei diesem Prozess immer zwei Teile in der Presse vorhanden sein müssen. Dies wiederum kompensiert jedoch die Reduzierung der Presskraft aufgrund der hohen Umformtemperatur.
  • Typische Bauteile, welche auf diese Art hergestellt werden, sind Achsbrücken von Lastkraftwagen. Hier nutzt man die Warmumformung zur Reduktion der Umformkraft und der Biegeradien aus. Gleichzeitig können in einem zweiten Schritt die Biegekanten gestaucht werden, wodurch das Bauteil eine höhere Steifigkeit erfährt.
  • Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der US 2,674,783 bekannt. Bei diesem Verfahren wird im ersten Schritt eine Form erzeugt und anschließend in einer zweiten Operation diese Vorform endgültig ausgeprägt.
  • Diese Herstellung hat zum Nachteil, dass das Werkstück zweimal manipuliert werden muss. Dabei treten unterschiedliche Abkühlraten auf. In Abhängigkeit der Werkzeugtemperatur kann die Kühlrate im Werkzeug höher oder niedriger als an ruhender Luft sein. Wie noch beschrieben wird, ist die Abkühlung bei normalisierend geglühten Stählen von großer Bedeutung.
  • Aufgrund des zweistufigen Prozesses sinkt die Bauteiltemperatur verstärkt ab. Dies hat zu Folge, dass die Umformkräfte steigen und gerade beim Kalibrieren, d.h. jener Prozessschritt mit der höchsten Umformkraft, der Umformwiderstand sehr hoch ist und den Vorteil der Warmumformung schmälert. Des weiteren muss darauf geachtet werden, dass die zweite Umformung oberhalb von 750°C bzw. 700°C abgeschlossen sein muss.
  • Versuche mit vorgewärmtem Werkzeug, d.h. betriebsnahen Bedingungen, zeigen jedoch, dass im Vergleich zur Abkühlung an Luft die Kühlrate durch die Warmumformung wesentlich höher ist (Fig. 19).
  • Bei allen Versuchen wurden die Temperaturen im Bauteil mittels Thermoelementen online gemessen. Die Thermoelemente wurden in Langlöcher mit einem Durchmesser von 2 mm gesteckt und mit umgeformt. Eine detaillierte Betrachtung des Umformprozesses zeigt Fig. 20. Hier ist ersichtlich, dass die erste Umformstufe bei ca. 790°C und die zweite Umformstufe bei ca. 680°C abgeschlossen sind. Dies bedeutet jedoch eine Unterschreitung der minimalen Umformtemperatur von 750°C, bzw. 700°C. In Fig. 19 ist auch ersichtlich, dass die Umwandlung von Ferrit in Austenit entweder zwischen oder während der Umformung erfolgt. Die exakte Umwandlungstemperatur hängt von der Legierungs-zusammensetzung ab. Die Endtemperatur deutet auch darauf hin, dass die Vorteile der Warmumformung, das heißt geringe Umformkräfte, bei der zweiten Umformstufe nicht mehr geltend gemacht werden können.
  • Die Auswahl an Stählen für derartige Warmumformverfahren ist auf normalisierend geglühte Stähle begrenzt.
  • Normalisierend geglühte, bzw. gewalzte Stähle erzielen ihre mechanischen Eigenschaften sowohl im Ausgangszustand (normalisierend gewalzt) als auch im geglühten Zustand, sofern es sich um eine Normalglühung handelt. Die Wärmebehandlung erfolgt oberhalb der A3-Temperatur. Das heißt, es findet ein Glühen im einphasigen austenitischen Bereich statt. Werden diese Stähle kalt umgeformt, so soll bei einer Überschreitung des Umformgrades von 5% eine Wärmebehandlung durchgeführt werden.
  • Die mechanischen Kennwerte werden hauptsächlich durch die Ausbildung einer ferritisch-perlitischen Matrix erreicht. Dies bedeutet jedoch, dass die Abkühlgeschwindigkeit exakt eingehalten werden muss, um die Bildung eines feinlamellaren Perlits zu gewährleisten. Das Abkühlen muss langsam erfolgen, entweder an ruhender Luft oder im Ofen. Es ist darauf zu achten, dass die Phasen Ferrit und Perlit ausgeschieden werden und die Martensitbildung unterbunden wird. Ab 600°C ist die Abkühlgeschwindigkeit unkritisch. Die Festigkeit des Werkstoffes ist linear vom Perlitanteil abhängig und dieser wiederum vom Kohlenstoffgehalt. Eine Erhöhung der Festigkeit kann zum überwiegenden Teil nur durch einen höheren Kohlenstoffgehalt erreicht werden. Dies bedeutet aber in weiterer Konsequenz, dass damit die Schweißbarkeit abnimmt. Erkennbar ist dies durch den Anstieg des Kohlenstoffäquivalents (siehe Fig. 15).
  • Bei den normalisierend geglühten Stählen kann man zwischen normalisierend gewalzten Erzeugnissen und normalisiert geglühten Erzeugnissen unterscheiden, wobei bei normalisierend gewalzten Erzeugnissen bei der Herstellung darauf zu achten ist, dass die letzte Warmwalzung oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Austenits erfolgt. Diese liegt typischerweise bei ca. 950°C.
  • Der Stahl rekristallisiert dabei vollständig und die Walzrichtung ist nur noch aufgrund von Seigerungseffekten erkennbar. Der rekristallisierte Austenit wandelt im Anschluss mit definierter Abkühlgeschwindigkeit in Ferrit und Perlit um. Bei normalisierend geglühten Erzeugnissen werden Platinen oder Bauteile über die A3-Temperatur erhitzt und im Anschluss daran kontrolliert abgekühlt. Nach dieser Wärmebehandlung erhält der Stahl wieder die Ausgangseigenschaften. Des weiteren kann im Anschluss an eine Glühung die Platine oder das Bauteil aus der Hitze umgeformt werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Umformung oberhalb von 750°C abgeschlossen sein muss. Bei einem Umformgrad von nicht mehr als 5 % gilt eine Temperatur von 700°C. Die Platinen oder Bauteile sind an ruhender Luft abzukühlen.
  • Thermomechanisch gewalzte Stähle erzielen ihre Festigkeit aus der gezielten Herstellung während des Warmwalzens. In diesem Fall wird die Endverformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Austenit durchgeführt. Die Temperatursteuerung der Rekristallisation erfolgt dabei durch zusätzliche Legierungselemente. Diese Elemente, und hier vorwiegend Niob erhöhen die Rekristallisationstemperatur des Austenits, so dass ein ausreichendes Prozessfenster zwischen A3-Temperatur und der Rekristallisationstemperatur entsteht.
  • Da das Gefüge nach dem letzten Walzstich nicht mehr rekristallisieren kann, besitzt es aufgrund des gestreckten Walzgefüges sehr viele Keime zur Umwandlung von Austenit zu Ferrit. Als Ergebnis erhält man ein sehr feinkörniges Gefüge, das hauptsächlich aus Ferrit und zu geringen Anteilen aus Bainit besteht. Bainit ist ein sehr feinlamellarer Perlit, der nur im Ungleichgewicht erstarren kann. Dies erfolgt durch eine gesteuerte rasche Abkühlung nach dem letzten Walzstich. Als zusätzlicher Effekt tritt eine Erhöhung der Zähigkeit des Materials auf.
  • Erstarren im Gleichgewicht benötigt langsame Abkühlraten, dies trifft eher auf normalisierend gewalzte Stähle zu. Zusätzlich verhindern die Legierungselemente in ausgeschiedener Form als Karbide, Nitride oder Karbonitride ein Kornwachstum über 1100°C. Dies wirkt sich auch vorteilhaft in der Grobkornzone der Wärmeeinflusszone beim Schweißen aus.
  • Normalisierend geglühte Stähle zeigen bei höhen Festigkeiten aufgrund der Legierungszusammensetzung ein kritisches Verhalten bei der Herstellung zu Warmband. Aufgrund des geringeren Legierungsanteiles bei TM-Stählen können diese mit wesentlich höheren Festigkeiten erzeugt werden.
  • Während normalisiert gewalzte Stähle nur bis zu einer maximalen Streckgrenze von 460 MPa bei Blechstärken unter 16 mm genormt sind, so sind TM-Stähle bis zu einer Mindeststreckgrenze von 700 MPa bei 8 mm genormt (>8 mm darf die Streckgrenze um 20 MPa niedriger sein). Diese Angaben findet man in den Normen DIN EN 10025-3 für normalisierend gewalzte Stähle und für thermomechanisch gewalzte Stähle ist die Norm DIN EN 10149-2 ausschlaggebend.
  • Sauergasbeständige Stähle werden im gleichen Verfahren wie thermomechanische Stähle hergestellt. Sie sind jedoch aufgrund ihres Einsatzgebietes in der Norm API spec 51, bzw. DIN EN 10208-2 abgebildet. Diese Bleche zeichnen sich durch extrem niedrige Gehalte von Verunreinigungen wie Schwefel aus. Dies bewirkt, dass ein Rekombinieren des Wasserstoffs zu H2, das heißt Rissbildung in der Nähe von Mangansulfiden, verhindert wird. Andererseits wird dadurch die Zähigkeit selbst bei sehr tiefen Temperaturen stark verbessert. Des weiteren wird durch die geringen Kohlenstoffgehalte die Ausbildung von Mittenseigerung reduziert. Dies verhindert die Bildung von harten Phasen in der Matrix. Um die Festigkeit zu erhöhen, muss die Kühlendtemperatur reduziert werden. Als Ergebnis liegt ein Stahl mit sehr feinem ferritischen Gefüge vor.
  • Eine Gegenüberstellung der Herstellpfade im Warmwalzwerk ist der Fig. 16 zu entnehmen. Hier ist der Unterschied bei der Endverformung klar ersichtlich. Mit den Abkühlbedingungen aus der Walzhitze kann die Gefügeausbildung bei thermomechanischer Walzung noch beeinflusst werden. Die unterschiedlichen Strukturen von normalisierend gewalzt, bzw. geglüht und thermomechanisch gewalzt sind der Fig. 17 zu entnehmen.
  • Die Abkürzungen in Fig. 16 sind T (Temperatur), TRS (Rekristallisationstemperatur im Austenit), TM (thermomechanisch) und ACC (beschleunigt abgekühlt).
  • Vergleicht man die Gefüge zwischen normalisierend gewalzt und TM-gewalzt, so ist der erhöhte Anteil an kohlenstoffreichem Perlit (dunkle Phase) eindeutig feststellbar. Eine Kornfeinung, und somit eine Erhöhung der Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit ist nur durch die thermomechanische Herstellung möglich.
  • Die chemischen Zusammensetzungen von normalisierend gewalztem Stahl findet man in den Normen DIN EN 10149-3 und DIN EN 10025-3. Die chemische Zusammensetzung von thermomechanisch gewalztem Stahl ist in der Norm DIN EN 10149-2 abgebildet. Vergleicht man Stahlgüten mit gleicher Mindeststreckgrenze so sind die höheren Kohlenstoffgehalte bei normalisierend gewalzten Stählen ersichtlich.
  • Aus der US 5,454,888 ist ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten Stahlteilen bekannt, die bei 300°F bis 1200°F (149°C) warm ungeformt werden sollen. Das verwendete Material soll eine ferritisch-perlitische Struktur haben. Auf eine besondere Formgebung wird hier nicht eingegangen. Aus der EP 0 055 436 ist ein Verfahren zum Verringern des Rückspringens bei mechanisch gepresstem Blechmaterial bekannt, bei dem ein Gegendruck beim Umformen angewendet werden soll. Das Gegenpressstück in dieser Presse soll insbesondere die Positionierung des Blechmaterials in der Presse steuern. Diese Schrift offenbart jedoch keine Umformtemperaturen oder das umzuformende Material.
  • Zur Kaltumformung können beide Stahlgüten herangezogen werden, wobei thermomechanische Stähle bei gleichen Streckgrenzen ein besseres Umformvermögen zeigen. Ein Ausprägen der Kanten, bzw. eine Schweißnahtvorbereitung, ist in der Kaltumformung nicht möglich, da die auftretenden Kräfte zu groß wären. Aus diesem Grund ist eine wirtschaftliche Auslegung einer Presse für Bauteile mit komplexer Geometrie nicht mehr gegeben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches einfach und schnell durchführbar ist, bezüglich des Werkzeugverschleißes verbessert ist und einen besser steuerbaren Prozess mit niedrigeren Kosten ergibt.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unterensprüchen gekennzeichnet.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, mit der die Umformung einfach, schnell und sicher durchgeführt wird, welche geringen Verschleiß hat, mit einer hohen Taktzeit arbeitet und die Investition verringert.
  • Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Werkstoff zwar erwärmt, aber keiner Phasenumwandlung unterzogen, das heißt die Umformung findet im ferritischen, perlitischen oder bainitischen Bereich statt. Weder die eutektoide noch die Rekristallisations-Temperatur dürfen dabei überschritten werden.
  • Für dieses Verfahren können Stähle verwendet werden, welche bei Temperaturen bis max. 700°C stabile Gefüge besitzen.
  • Dazu zählen neben normalisierend gewalzten Stählen vor allem die thermomechanisch gewalzten Stähle, da sie ein stabiles Gefüge besitzen. Diese Stähle sind auch für das Spannungsarmglühen freigegeben, welches ungefähr im gleichen Temperaturbereich stattfindet. Bei der Verwendung dieser Stähle muss darauf geachtet werden, dass keine Rekristallisation während der Erwärmung und anschließender Umformung eintritt.
  • Mehrphasenstähle besitzen unter anderem auch martensitische Phasen in der Matrix. Dieser Martensit wird jedoch bei so hohen Temperaturen angelassen und verändert dadurch die mechanischen Kennwerte der Stahlgüte.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es vorteilhafter Weise, zunderfrei umzuformen. Während bei bekannten Umformprozessen mit Temperaturen von 900°C und höher dicke Zunderschichten auftreten, bilden sich in diesem Fall nur dünne O-xidhäute auf der Oberfläche des Werkstückes aus. Vergleicht man ungebeiztes Warmband mit erfindungsgemäß umgeformten Bauteilen, ist kein Unterschied in der Oberflächenausbildung ersichtlich.
  • Dies erlaubt es, mehrere Verfahrensschritte in ein Werkzeug zu integrieren, da kein störender Zunder die Funktion beinträchtigen könnte. So kann im Falle der erfindungsgemäßen temperierten Umformung der erwähnte zweistufige Prozess zur Ausprägung von scharfen Radien nach dem Stand der Technik ein zweifach wirkender Prozess herangezogen werden. Dieser Prozess wird zwar bei niedrigeren Temperaturen als bei der Warmumformung durchgeführt, da jedoch nur ein Werkstück in der Presse zum Einsatz kommt, sind Presskräfte ähnlich niedrig. Dieser Prozess erlaubt es mehrere Verfahrensschritte in einem Werkzeug zu kombinieren:
    • geführte Umformung
    • Stauchen von Material
    • Prägen von Schweißkanten
    • Bauteilauswurf
  • Die Kostenersparnis ergibt sich aus folgenden Gründen:
    • ein Werkzeug für alle Funktionen;
    • geringere Verschleißkosten aufgrund der Prozessparameter und Werkzeugreduktion;
    • Erhöhung der Taktzeit, da das Bauteil in einem Arbeitshub gefertigt werden kann;
    • Reduzierung der Investition:
      • Kompaktere Ofensysteme nutzbar, dadurch geringerer Ausstoß an CO2; Presskraft wird nicht erhöht, da sich anstelle von zwei nur ein Bauteil im Werkzeug befindet;
      • Alle Funktionen sind im Werkzeug, das heißt die Presse kann einfach ausgeführt werden.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, es zeigen dabei:
    • Figur 1:
    den Verfahrensablauf eines zweifach wirkenden erfin- dungsgemäßen Prozesses;
    Figur 2:
    den Aufbau eines zweifach wirkenden erfindungsgemäßen Werkzeug;
    Figur 3:
    die Umformkräfte in Abhängigkeit der Temperatur;
    Figur 4:
    den Temperaturverlauf beim erfindungsgemäßen Verfah- ren bei einer Starttemperatur von 700 °C;
    Figur 5:
    den Temperaturverlauf beim erfindungsgemäßen Verfah- ren bei einer Starttemperatur von 500 °C;
    Figur 6:
    die Oxidationsrate von Eisen in Luft;
    Figur 7:
    die Verfestigung bei 180°-Faltung von TM-Stahl;
    Figur 8:
    den Härteverlauf bei Vergütungsstahl (V) und thermo- mechanisch gewalztem Stahl (TMBA);
    Figur 9:
    die mechanischen Kennwerte von thermomechanisch ge- walztem Stahl in Abhängigkeit der Glühtemperatur;
    Figur 10:
    die Herstellung von Bauteilen nach einer ersten Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Figur 11:
    die Herstellung von Bauteilen nach einer zweiten Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Figur 12:
    die Herstellung von Bauteilen nach einer dritten Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Figur 13:
    die Herstellung von Bauteilen nach einer vierten Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Figur 14:
    eine Gegenüberstellung von thermomechanisch gewalztem Stahl gegenüber normal geglühtem Stahl;
    Figur 15:
    die Streckgrenze und das Kohlenstoffäquivalent für verschiedene Herstellverfahren und Stahlsorten;
    Figur 16:
    die Herstellung von warmgewalztem Stahl;
    Figur 17:
    das Gefüge aufgrund der unterschiedlichen Herstellung von warmgewalztem Stahl;
    Figur 18:
    den Verfahrensablauf eines zweistufigen Prozesses nach dem Stand der Technik;
    Figur 19:
    den Temperaturverlauf beim Warmumformen nach dem Stand der Technik bei einer Starttemperatur von 940°C im Vergleich zu einer Luftabkühlung;
    Figur 20:
    den Temperaturverlauf beim Warmumformen nach dem Stand der Technik bei einer Starttemperatur von 940 C.
  • Fig. 1 und 2 zeigen den Aufbau des Werkzeuges. Je nach Art der Anwendungen können die Werkzeugteile gekühlt ausgeführt sein.
  • Im Oberteil 7 befinden sich der Stempel 2, welcher die Form des Bauteiles erzeugt und die Prägeleisten zur Ausprägung kleiner Radien und wenn notwendig der Schweißanarbeitung. Der Stempel 2 ist über ein Federpaket 4 mit dem Oberteil 7 verbunden. Dieses Federpaket kann aus Stahlfedern sowie aus hydraulischen Feder/Dämpfersystemen oder Gasdruckfedern bestehen. Im Unterteil 11 befinden sich der Matrizeneinsatz 3 sowie die Matrize 6 selbst. Das Federpaket 5 zur Steuerung des Matrizeneinsatzes 3 kann ebenso aus Stahlfedern sowie aus hydraulischen Feder/Dämpfersystemen oder Gasdruckfedern bestehen.
  • Die Herstellung eines Bauteiles mittels zweifach wirkendem Prozess kann wie folgt erklärt werden:
    • Die Ablage der auf Wunsch endgeometrienahen Platine 1 erfolgt zum einen auf das Unterteil 11 des Werkzeuges und zum anderen auf den Matrizeneinsatz 3. Berührt nun das Oberteil 7 die Platine 1, so wird durch beidseitigen Kontakt von Oberteil 7 und Matrizeneinsatz 3 die Platine 1 geklemmt und die Umformung erfolgt geführt und nicht frei. Des weiteren kann sich dadurch auch keine Wölbung im Werkzeug einstellen. Bei der weiteren Verformung (Schritt 2) wird nun der Matrizeneinsatz 3 durch den Stempel 2 verdrängt. Dabei sind die Kräfte der Federpakete von Stempel 2 zu Matrizeneinsatz 3 so abgestimmt, dass in der Platine 1 keine Abdrücke erzeugt werden. Im Schritt 3 wird der Bauteil zur Gänze umgeformt, wobei der Stempel 2 dabei den unteren Totpunkt erreicht hat. Gleichzeitig stützt sich nun der Matrizeneinsatz 3 in der Matrize 6 ab, sodass die Prägekräfte nicht über das Federpaket 5 übertragen werden müssen. In weiterer Folge wird nun das Federpaket 4 im Stempel 2 verdrängt und die Ausprägung durchgeführt (Schritt 4). Nach dem Öffnen des Werkzeuges dient die Federkraft des Matrizeneinsatzes 3 zum Ausstoßen des Bauteiles, das heißt das Werkzeug nimmt wieder die Position in Schritt 1 ein.
  • Die Herstellung eines Bauteiles mit engen Radien und/oder Schweißnahtvorbereitung erfolgt deshalb in einem Hub oder Arbeitsschritt des Werkzeuges. Eine Anarbeitung der Schweißkante ermöglicht die Weiterverwendung von Bauteilen zur Komponentenfertigung ohne einer spanabhebenden Zwischenbearbeitung der Kante.
  • In Abhängigkeit des Ausgangsmaterials können die Platinen zwischen 500°C und 700°C aufgeheizt werden. Fig. 3 zeigt die notwenigen Umformkräfte in Abhängigkeit der Temperatur an einem identen Bauteil. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass eine Warmumformung bei 900°C im Vergleich zu einer temperierten Umformung die Presskräfte halbiert. Da jedoch beim zweistufigen Prozess der Warmumformung die Endtemperatur gegen 700°C fällt, steigen auch die Umformkräfte auf das 1,5fache (-..-Linie) an. Berücksichtigt man noch weiter, dass sich zwei Bauteile in der Presse befinden, so kann davon ausgegangen werden, dass die Presse ähnlich der temperierten Umformung ausgelegt werden muss. Zusätzlich ist die erhöhte Reibung bei 900°C klar ersichtlich. Während bei niedrigeren Temperaturen der Kraftaufwand nach der ersten Umformung absinkt, bleibt der Umformwiderstand bei 900°C annähernd konstant, was auf erhöhte Reibung aufgrund des vorliegenden Zunders im Zargenbereich schließen lässt. Dieses Phänomen tritt im Schritt 2 in Fig. 18 bei der Umformung auf.
  • Der Temperaturverlauf der temperierten Umformung nach der Erfindung ist am Beispiel einer Umformung von 700°C in Fig. 4 ersichtlich. Zum einen zeigt sich, dass die Herstellung des Bauteiles in einem Schritt erfolgte, zum zweiten tritt dabei ein maximaler Temperaturverlust von nur ca. 120°C auf. Im Vergleich zur Warmumformung zeigt sich, dass sich durch eine Verringerung der Anfangstemperatur von ca. 240°C eine Reduzierung der Endtemperatur von nur 100°C ergibt.
  • Ein weiteres Beispiel ist in Fig. 5 ersichtlich. In diesem Fall betrug die Platinentemperatur zu Beginn der Umformung 500°C. Die Auswertung zeigt, dass im Bereich des Bodens und der Zarge der Temperaturverlust weniger als 100°C beträgt, während im Bereich der Kante, also an jener Stelle, wo die Prägeleisten angreifen, eine Reduktion der Umformtemperatur von mehr als 150°C auftritt. Aufgrund der Wärmeleitung im Bauteil erfolgt jedoch ein sofortiger Anstieg der Temperatur noch dem Öffnen der Presse. Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Oxidationsrate von Eisen an Luft in Abhängigkeit der Temperatur. Wählt man als Bezugsgröße die Oxidationsrate bei 600°C, so erhöht sich die Rate bei 700°C um das siebenfache und bei 950°C um das 230fache. Dies macht den Vorteil der erfindungsgemäßen temperierten Umformung deutlich. Durch die drastische Reduktion der Oxidbildung an der Bauteiloberfläche verringert sich der Verschleiß des Werkzeuges. Zweiter Kosteneffekt ist die Erhöhung der Taktzeit, da die zwischenzeitliche Reinigung des Werkzeuges um ein Vielfaches geringer, bzw. entfallen kann.
  • Nur durch die Kombination von Temperaturführung und Werkstoffauswahl ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren umzusetzen.
  • Im Vergleich zur Kaltumformung sind wesentlich komplexere Geometrien möglich. Dies wird durch ein Nachfördern des Werkstoffes während der Umformung hervorgerufen. Dadurch können wesentlich geringere Außen- als auch Innenradien erzeugt werden bei Aufrechterhaltung des Ausgangsquerschnittes des Vormaterials. Deshalb ist es möglich, dass bei gleichen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes größere Belastungen übertragen werden, da die Flächenwiderstandsmomente stark erhöht werden können. Bei gleicher Belastung kann die Wandstärke dementsprechend verringert und somit Gewicht eingespart werden.
  • Bei der konventionellen Kaltumformung wird das Material im Verformungsbereich ausgedünnt.
  • Wie bereits angeführt beeinflusst die Abkühlgeschwindigkeit die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nach der Umformung nur gering, während bei der Verwendung von normalisierend gewalzten Stählen die Abkühlgeschwindigkeit eine wesentliche Funktion zur Erreichung der mechanischen Eigenschaften ist.
  • Bei Einhaltung der Glühbedingungen zur Umformung erhöht sich durch beschleunigte Alterungseffekte die Streckgrenze. Des weiteren können sich noch Ausscheidungen bilden.
  • Kurzfristige Temperaturen, wie sie z.B. beim Flammrichten auftreten, können, sofern sie entsprechend der Lieferbedingung des Vormaterials durchgeführt werden, analog dem Ausgangsmaterial durchgeführt werden.
  • Aufgrund des gewählten Temperaturbereiches zur Umformung können alle Werkstoffe eingesetzt werden, welche ihre Eigenschaften durch eine temperierte Wärmebehandlung beibehalten. Dies gilt ebenso für normalisierend gewalzte Stähle, wenn eine spezielle Weiterverarbeitung den Einsatz dieser Stähle voraussetzt.
  • Bevorzugt werden thermomechanische Stähle eingesetzt, da das schon gute Umformvermögen bei Raumtemperatur durch die temperierte Umformung verbessert wird und das Verfahren um Stauchprozesse ergänzt werden kann.
  • Im Vergleich zur Kaltumformung treten bei der temperierten Umformung nur geringe Verfestigungseffekte auf, da die Umformung im Bereich der Erholung des Werkstoffes liegt, und dadurch die Verfestigung ohne Inkubationszeit abgebaut werden kann. Eine Homogenisierung der inneren Spannungen ist die Folge. Eine Verringerung der Verfestigung ist in Fig. 7 ersichtlich.
  • Die temperierte Umformung nach der Erfindung schränkt die Weiterverarbeitung bezüglich Schweißen oder Oberflächenbeschichtungen nicht ein. Dieses Verfahren erlaubt, komplexe Bauteile mit hohen Festigkeiten herzustellen, ohne Einschränkung auf Nachfolgeprozesse. Aufgrund der Warmumformung können zum Beispiel nur normalisierend gewalzte Stähle eingesetzt werden. Wie bereits beschrieben sind diese aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung wesentlich kritischer zu schweißen. Zusätzlich muss aufgrund der hohen Temperatur wesentlich aufwändiger die Oberfläche gereinigt werden.
  • Das grundlegende Vorurteil gegen den Einsatz von thermomechanischen Stählen ist deren Empfindlichkeit gegen hohe Temperaturen, wie sie zum Beispiel beim Schweißen vorkommen. Moderne TM-Stähle weisen jedoch aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung auch sehr gute mechanische Eigenschaften nach dem Schweißen auf. Dies wird unter anderem durch die Zugabe von Mikrolegierungselementen erreicht. Durch fein verteilte Ausscheidungen aus Mikrolegierungselementen in Verbindung mit Stickstoff oder Kohlenstoff wird die Bildung von Grobkorn in der Wärmeeinflusszone behindert, da ein Wachsen der Korngrenzen durch Festhalten erschwert wird. Demzufolge wird die erweichte Zone sehr schmal, wie in Fig. 8 auf der rechten Seite dargestellt (WEZ = Wärmeinflusszone, SG = Schweißgut). In beiden Fällen ist der Abfall der Härte gleich groß, wobei die Erweichungszone beim thermomechanisch gewalzten Stahl wesentlich schmaler ausgebildet ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass unterhalb von AC1 (eutektoide Temperatur) keine Erweichung des Materials auftritt, d.h. die Korngröße ändert sich nicht. Oberhalb von AC1 kommt es zu einer Umwandlung in Austenit und im Anschluss daran zur oben genannten Grobkornbildung.
  • Beim Vergütungsstahl (V) ist die Erweichungszone wesentlich breiter ausgelegt, da es auch unterhalb der ACl zu Umwandlungen kommt. In diesem Fall treten Anlasseffekte auf und verändern somit die mechanischen Eigenschaften des Materials. Zusätzlich kommt es aufgrund des höheren Kohlenstoffgehaltes noch zu einer verstärkten Aufkohlung im Übergangsbereich von Schmelzgut zu Wärmeeinflusszone. Dies ist bei dynamischer Beanspruchung besonders kritisch, da dies wie eine metallurgische Kerbe wirkt.
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen weiter beschrieben, wobei eine spezielle Werkstoffauswahl hier nicht getroffen wird, damit im erfindungsgemäßen Verfahren alle bereits beschrieben Werkstoffe verarbeitet werden können.
  • Das Verfahren ermöglicht sozusagen die Verwendung genormter Stähle unter der Voraussetzung, dass die Glühbedingungen analog dem Spannungsarmglühen eingehalten werden. Bei der Fertigung muss jedoch eine Rekristallisation während der Umformung vermieden werden, da damit eine Reduzierung der Festigkeit einhergeht. Werden Stähle verwendet, welche eine starke Anlassneigung besitzen, z.B. aufgrund martensitischer Phasen, so ist mit einem Festigkeitsverlust zu rechnen.
    • Beispiel 1
  • Ein Beispiel für die Verwendung eines thermomechanisch gewalzten Stahles für die temperierte Umformung ist in Fig. 9 dargestellt. Die Proben wurden dabei innerhalb von 15 Minuten auf die jeweilige Temperatur erhitzt. In allen Fällen konnte eine völlige Durchwärmung sicher gestellt werden. Anschließend wurden die Proben an Luft, im Wasser oder zwischen zwei gekühlten Kupferplatten abgekühlt. Die Auswertung zeigt, dass bis zu einer Temperatur von 700°C die mechanischen Eigenschaften mindestens den Ausgangswerten entsprechen. Eine Erhöhung der Streckgrenze ist auf eine beschleunigte Alterung zurückzuführen. Oberhalb von 700°C tritt eine Veränderung des Gefüges auf, die Bildung von Austenit beginnt. Eine Erweichung des thermomechanisch gewalzten Stahles ist die Folge.
  • Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mittels temperiertem Umformen kann durch unterschiedliche Werkzeugausführungen erfolgen. Weiter können die Funktionen von Federn, hydraulischen Dämpfern und Gasdruckdämpfern auch von der Presse selbst übernommen werden. In Abhängigkeit der Stückzahl und Genauigkeit der Bauteile kann eine Wasserkühlung in den Werkzeugen erfolgen. Im Unterschied zum Härten in wassergekühlten Werkzeugen, müssen in diesem Fall keine derartigen Abkühlgeschwindigkeiten erreicht werden. Die Kühlung soll das Werkzeug und deren Funktionen vor thermischer Belastung schützen.
  • Alle Verfahren haben die Vereinfachung gemein, dass in einem Schritt sowohl die Umformung, als auch das Prägen der Seitenkanten erfolgt. Ein zusätzlicher Auswerfer, welcher die Kontur, bzw. die Oberfläche des Bauteiles zerstören könnte ist in keiner Ausführung notwendig. Gleichzeitig verhindern seitliche Klemmen am Matrizeneinsatz ein Festsitzen des Bauteils am Stempel. Diese Klemmen öffnen sich automatisch beim Öffnen des Werkzeuges oder können mit Hydraulik oder Gas angesteuert werden.
    • Beispiel 2
  • Der Verfahrensablauf ist in Fig. 10 dargestellt.
    • Schritt 1:
  • Zu Beginn der Umformung wird die Platine 1 zwischen Stempel 2 und Matrizeneinsatz 3 geklemmt. Dadurch kann ein Verrutschen der Platine verhindert werden. Bei herkömmlichen Verfahren erfolgt die Umformung aufgrund des Weglassens eines Matrizeneinsatzes frei, d.h. die Platine ist nicht geführt. Bei der klassischen Warmumformung kann abplatzender Zunder die Funktionsweise des Matrizeneinsatzes beeinflussen. Feder 4 und Feder 5 sind auf Vorspannung.
    • Schritt 2:
  • Die Umformung erfolgt im geklemmten Zustand. Feder 4 ist auf Vorspannung, Feder 5 wird durch den Stempel 2 verdrängt.
    • Schritt 3:
  • Der Stempel und der Matrizeneinsatz erreichen den unteren Todpunkt. Sollte keine Schweißanarbeitung der Kanten, bzw. aufgedickte Eckbereiche notwendig sein, so kann Schritt 4 übersprungen werden. Feder 1 ist auf Vorspannung, Feder 2 durch Stempel verdrängt und der Matrizeneinsatz 3 stützt sich auf Matrize 6 ab.
    • Schritt 4:
  • Zur Kostenersparnis kann in diesem Arbeitsschritt die Anarbeitung der Schweißkante mit Anarbeitungsstempel 7 mit Prägeleisten 8 erfolgen, unabhängig des Schweißverfahrens und des dazu notwendigen Winkels. Gleichzeitig können die Radien der Ecken sowohl innen als auch außen reduziert werden. Zusätzlich wird die Wandstärke in diesem Bereich erhöht. Feder 4 wird durch die Prägeleisten verdrängt Feder 5 bleibt in Position.
    • Schritt 5:
  • Der Matrizeneinsatz 3 dient gleichzeitig zum Auswurf des Bauteiles und kann in dieser Position die nächste Platine aufnehmen.
    • Vorteile:
    • keine freie Umformung durch Matrizeneinsatz;
    • Prägung erfolgt erst, wenn das Bauteil sich im unteren Todpunkt befindet, d.h. Es wird durch das Prägen kein Werkstoff in den Boden verschoben - kleinerer Stauchweg als bei Stand der Technik (siehe Fig. 18);
    • einfacher Werkzeugaufbau, d.h. nur ein Federsystem im Stempel notwendig;
    • geringe Werkzeugkosten;
    • keine zusätzliche wegabhängige Steuerung im Werkzeug notwendig.
    Beispiel 3
  • Der Verfahrensablauf ist in Fig. 11 dargestellt.
    • Schritt 1:
  • Platine 1 wird zwischen Matrize 6 und Stempel 2 geklemmt. In Abhängigkeit des Bauteiles kann ein Matrizeneinsatz die Klemmung unterstützen (nicht abgebildet). F1, F2 und F3: siehe Anmerkung in Fig. 11.
    • Schritt 2:
  • Der Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt. F1, F2 und F3 ohne Veränderung.
    • Schritt 3:
  • Der Stempel 2 wird zurückgezogen, dies erfolgt durch die Steuerung von F1. Prägeleisten 8 treten in Kontakt mit der Zarge 9. F2 und F3 bleiben unverändert.
    • Schritt 4:
  • System fährt mit Einstellung von Schritt 3 auf Kontakt mit Vorwölber 9.
    • Schritt 5:
  • Die Kanten 10 des Bauteiles berühren den Matrizenboden. Dadurch wird eine Bevorratung des Werkstoffes im Boden verursacht. F1, F2 und F3 analog Schritt 3.
    • Schritt 6:
  • Oberteil 7 fährt nach unten, F3 wird zur Gänze verdrängt. F2 wird um diesen Betrag anteilig verdrängt. Dadurch wird ein Verdrängen des Materials in die Ecken verursacht, ohne das eine hohe Reibung im Zargenbereich auftritt.
    • Schritt 7:
  • Verprägen des Bauteiles durch komplettes Verdrängen von F3.
    • Vorteile:
    • Materialbevorratung im Boden;
    • geringer Verschleiß in der Zarge;
    • geringe Stauchung über die Zarge notwendig.
    Beispiel 4
  • Der Verfahrensablauf ist in Fig. 12 dargestellt.
    • Schritt 1:
  • Platine 1 wird zwischen Matrize 6 und Stempel 2 geklemmt. In Abhängigkeit des Bauteiles kann ein Matrizeneinsatz die Klemmung unterstützen (nicht abgebildet). F1 und F2: siehe Anmerkung in Fig. 12.
    • Schritt 2:
  • Der Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt. F1 und F2 ohne Veränderung.
    • Schritt 3:
  • Der Bodenbereich wird zwischen Stempel 2 und Vorwölber 9 geklemmt. F1 und F2 ohne Veränderung.
    • Schritt 4:
  • F1 wird durch die Abwärtsbewegung des Oberteiles 7 verdrängt, sodass die Prägeleisten 8 das Bauteil im Eckenbereich in die Matrize 6 pressen. F2 bleibt unverändert.
    • Schritt 5:
  • Stempel 2 und Prägeleisten 8 fahren gleichzeitig nach unten und verprägen das Bauteil. Dabei wird F2 verdrängt.
    • Vorteile:
    • einfacher Werkzeugaufbau, d.h. nur ein Federsystem im Stempel notwendig;
    • geringe Werkzeugkosten;
    • keine zusätzliche wegabhängige Steuerung im Werkzeug notwendig;
    • Materialbevorratung im Bodenbereich durch Vorwölber.
    Beispiel 5
  • Der Verfahrensablauf ist in Fig. 13 dargestellt.
    • Schritt 1:
  • Platine 1 wird zwischen Matrize 6 und Stempel 2 geklemmt. In Abhängigkeit des Bauteiles kann ein Matrizeneinsatz die Klemmung unterstützen (nicht abgebildet). F1 und F2: siehe Anmerkung in Fig. 12.
    • Schritt 2:
  • Der Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt. F1 und F2 ohne Veränderung.
    • Schritt 3:
  • Der Bodenbereich wird zwischen Stempel 2 und Vorwölber 9 geklemmt. F1 und F2 ohne Veränderung.
    • Schritt 4:
  • Der Stempel 2 hält durch gesteuertes Verdrängen von F1 seine Position. Das Oberteil 7 fährt nach unten, sodass die Prägeleisten 8 das Bauteil im Eckenbereich in die Matrize pressen. F2 bleibt unverändert.
    • Schritt 5:
  • Prägeleisten fahren auf Endmaß des Bauteiles und Stempel verharrt in konstanter Position F1 steuert die Relativbewegung zur Prägeleiste, sodass die Stempelposition konstant bleibt. F2 bleibt unverändert.
    • Schritt 6:
  • Ausprägen des Bauteiles durch Ausfahren des Stempels mittels F1. F2 wird dadurch verdrängt.
    • Vorteile:
    • Oberteil benötigt nur ein Federsystem;
    • geringe Werkzeugkosten;
    • Bevorratung im Bodenbereich unabhängig der Stauchhöhe der Prägeleisten.
  • Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, mit denen eine geführte Umformung inklusive das Stauchen von Material, Prägen von Schweißkanten und der Bauteilauswurf innerhalb eines Werkzeuges zuverlässig, schnell und sicher durchgeführt werden, wobei aufgrund der Prozessführung, insbesondere der niedrigen Temperaturen, geringerer Verschleiß auftritt, die Taktzeit erhöht wird und kompaktere Ofensysteme nutzbar sind. Zudem wird die Zunderbildung reduziert, was eine Nachbearbeitung verringert und die Möglichkeit gegeben, aus höherfesten TM-Stählen komplexe Bauteile zu erzeugen.
  • Als Stahlblech für die Platinen kann blankes Blech aber auch beschichtetes Blech verwendet werden.
  • Als Beschichtungen sind elektrolytische oder die verschiedensten Schmelztauchverzinkungen, gegebenenfalls mit einem Legierungsschritt, Zink-Aluminium- bzw. Aluminium-Zink-Schichten, Aluminiumschichten aber auch Nano-Schichten etc. geeignet.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Umformen von Stahlblech, wobei eine Platine aus dem Stahlblech erzeugt wird, die Platine in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und mit dem Umformwerkzeug aus der Platine das umgeformte Werkstück in einem einstufigen Prozess erzeugt wird, wobei die Platine vor dem Umformen aufgeheizt wird, wobei die Aufheizung soweit durchgeführt wird, dass der Stahl keine Phasenumwandlung erleidet und die Umformung im ferritischen, perlitischen oder bainitischen Bereich stattfindet, ohne dass die eutektoide oder die Rekristallisations-Temperatur überschritten werden, dadurch gekennzeichnet, dass mit Prägeleisten zur Ausprägung kleiner Radien und/oder zur Erhöhung der Wandstärke in diesem Bereich und/oder einer Schweißanarbeitung die Seitenkanten des umgeformten Werkstücks geprägt bzw. gestaucht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahl ein Stahl verwendet wird, der bei Temperaturen bis maximal 700°C ein stabiles Gefüge besitzt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlmaterial ein normalisierend gewalzter Stahl, ein normalisierend geglühter Stahl oder ein thermomechanisch gewalzter Stahl verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl auf eine Temperatur von 400° bis 800°, vorzugsweise 600° bis 750°C erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine zwischen einem Formwerkzeugoberteil und einem Formwerkzeugunterteil eingelegt wird, wobei das Oberteil einen Stempel besitzt, welcher die Form des Bauteils erzeugt und zusätzlich die Prägeleisten zur Ausprägung kleiner Radien und sofern gewünscht einer Schweißanarbeitung vorhanden sind und das Formwerkzeugunterteil einen Matrizeneinsatz sowie die Matrize selbst umfasst, wobei durch das Berühren des Oberteils durch beidseitigen Kontakt von Oberteil und Matrizeneinsatz die Platine geklemmt und die Umformung durchgeführt wird, wobei bei weiterer Verformung der Matrizeneinsatz durch den Stempel verdrängt wird und das Bauteil zur Gänze umgeformt wird, bis der Stempel den unteren Todpunkt erreicht hat, wobei sich der Matrizeneinsatz in der Matrize abstützt und anschließend eine durch Ausprägung durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlblech zur Herstellung der Platinen blankes oder beschichtetes Stahlblech verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als beschichtetes Stahlblech elektrolytisch verzinktes Stahlblech, Schmelztauch, verzinktes Stahlblech (feuerverzinktes Stahlblech), ein Schmelztauch-beschichtetes Stahlblech mit einer Schmelztauchbeschichtung aus Zink und Aluminium oder Aluminium und Zink und gegebenenfalls weiteren Metallen oder eine Beschichtung aus im Wesentlichen Aluminium und Silizium oder eine Beschichtung aus Zink die durch einen Legierungsschritt mit dem Stahl legiert wurde, verwendet werden.
  8. Vorrichtung zum temperierten Umformen einer Stahlplatine, wobei die Platine in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und mit dem Umformwerkzeug aus der Platine das umgeformte Werkstück erzeugt wird, insbesondere Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Oberteil (7) und ein Unterteil besitzt, wobei sich im Oberteil ein Stempel (2) befindet, welcher die Form des Bauteils erzeugt und zudem Prägeleisten vorhanden sind zur Ausprägung kleiner Radien und einer Schweißanarbeitung wenn notwendig, wobei der Stempel über ein Federpaket (4) mit dem Oberteil (7) verbunden ist und zudem ein Unterteil (11) vorhanden ist, in dem sich ein Matrizeneinsatz (3) sowie die Matrize (6) selbst befinden, wobei zur Steuerung des Matrizeneinsatzes (3) ein zweites Federpaket (5) vorhanden ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federpakete (4, 5) aus Metallfedern, insbesondere Stahlfedern, hydraulische Federn, Dämpfersystem- oder Gasdruckfedern bestehen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden der Matrize ein Vorwölber (9) vorhanden ist.
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