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DE102006019395A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Umformen von Platinen aus höher- und höchstfesten Stählen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Umformen von Platinen aus höher- und höchstfesten Stählen Download PDF

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DE102006019395A1
DE102006019395A1 DE102006019395A DE102006019395A DE102006019395A1 DE 102006019395 A1 DE102006019395 A1 DE 102006019395A1 DE 102006019395 A DE102006019395 A DE 102006019395A DE 102006019395 A DE102006019395 A DE 102006019395A DE 102006019395 A1 DE102006019395 A1 DE 102006019395A1
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Franz-Josef Dr. Ing. Lenze
Sascha Dipl.-Ing. Sikora
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zum Presshärten und temperierten Umformen einer Platine aus höher- und/oder höchstfesten Stählen mit Mitteln zur Temperierung des Umformwerkzeugs sowie ein Verfahren zum Presshärten und temperierten Umformen von Platinen aus höher- und/oder höchstfesten Stählen, bei welchem die Platine vor dem Umformen erhitzt wird und anschließend in einem Umformwerkzeug warm oder halbwarm umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug Mittel zur Temperierung aufweist. Die Aufgabe, ein Umformwerkzeug sowie ein Verfahren zum Presshärten und temperierten Umformen vorzuschlagen, welches eine genau definierte Temperaturführung der Platine während des Umformens ermöglicht, wird dadurch gelöst, dass in dem Umformwerkzeug eine Mehrzahl regelbarer Mittel (5, 6, 8) zur Temperierung des Umformwerkzeugs vorgesehen sind, durch welche eine Mehrzahl an Temperaturzonen im Umformwerkzeug temperiert werden können, wobei zumindest die Kontaktflächen der für die Umformung verwendeten Umformwerkzeugelemente (1, 2, 3) einzelnen Temperaturzonen zugeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zum Presshärten und temperierten Umformen einer Platine aus höher- und/oder höchstfesten Stählen mit Mitteln zur Temperierung des Umformwerkzeugs sowie ein Verfahren zum Presshärten und temperierten Umformen von Platinen aus höher- und/oder höchstfesten Stählen, bei welchem die Platine vor dem Umformen erhitzt wird und anschließend in einem Umformwerkzeug warm oder halbwarm umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug Mittel zur Temperierung aufweist.
  • Aufgrund der immer höheren Anforderungen an die Festigkeitseigenschaften von Strukturbauteilen aus Stahl oder einer Stahllegierung im Kraftfahrzeugbau werden zunehmend Warmumformungen in der Serienfertigung eingesetzt, um höher- und/oder höchstfeste Stähle umformen zu können. Beim Warmumformen wird zunächst eine Platine erwärmt. Dies geschieht üblicherweise in einem Ofen. Anschließend wird die erhitzte Platine aus dem Ofen entnommen und in ein Umformwerkzeug eingelegt, in welchem die Platine warm oder halbwarm umgeformt werden. Beim Umformen mit Presshärten wird beispielsweise die Platine mindestens auf Austenitisierungstemperatur erhitzt. Anschließend kommt es zu einer raschen Abkühlung der Platine, so dass das austenitische Gefüge der Platine in martensitisches Gefüge umgewandelt wird. Ausgehend von guten Umformeigenschaften beim Vorliegen eines austenitischen Gefüges erfolgt daher während des Umformens ein deutlicher Anstieg der Festigkeitswerte und damit eine Verschlechterung der Umformeigenschaften der Platine. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 018 974 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit welcher Platinen aus einem Ofen in ein temperiertes Umformwerkzeug eingelegt werden können, wobei während des Entnehmens aus dem Ofen und des Einlegens in das Umformwerkzeug über Kontaktelemente die Platinen durch Stromfluss auf Temperatur gehalten werden. Hierdurch soll erreicht werden, dass die Platinen auch mit den für das Warmumformen vorgesehenen Temperaturen umgeformt werden. Darüber hinaus ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 34 510 A1 ein Feinschneidwerkzeug bekannt, bei welchem in der Schneidplatte und in der Führungsplatte jeweils eine Heizplatte mit Heizelementen angeordnet und ein Temperatursensor zur Steuerung der Heizplatten vorgesehen ist. Mit dem bekannten Feinschneidwerkzeug sollen Warmarbeitsstähle sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Halbwarmtemperatur verarbeitet werden.
  • Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Umformwerkzeugen ist nun, dass diese zwar eine Temperierung des Umformwerkzeugs ermöglichen, eine präzise Steuerung der Platinentemperatur beim Umformen jedoch nicht erfolgen kann.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Umformwerkzeug zum Presshärten und temperierten Umformen sowie ein Verfahren zum Presshärten und temperierten Umformen vorzuschlagen, welches eine genau definierte Temperaturführung der Platine während des Umformens ermöglicht.
  • Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe für ein gattungsgemäßes Umformwerkzeug dadurch gelöst, dass in dem Umformwerkzeug eine Mehrzahl regelbarer Mittel zur Temperierung des Umformwerkzeugs vorgesehen sind, durch welche eine Mehrzahl an Temperaturzonen im Umformwerkzeug temperiert werden können, wobei zumindest die Kontaktflächen der für die Umformung verwendeten Umformwerkzeugelemente einzelnen Temperaturzonen zugeordnet sind.
  • Es hat sich herausgestellt, dass es zur Beibehaltung der guten Umformeigenschaften erwärmter höherfester bzw. höchstfester Stähle notwendig ist, die Temperatur der Kontaktflächen der Umformwerkzeugelemente mit der Platine sehr genau zu kontrollieren. Hierdurch ist es nicht nur möglich, den Verschleiß im Umformwerkzeug an den Kontaktflächen der Umformwerkzeugelemente mit der Platine zu minimieren, da durch die Temperaturführung optimale Prozessparameter, insbesondere optimale Prozesstemperaturen der Platine, eingestellt werden können. Darüber hinaus ist es möglich, Einfluss auf das Gefüge der Platine auszuüben, in dem die Abkühlgeschwindigkeiten der Platine während des Umformens in den einzelnen Temperaturzonen über die Temperaturdifferenz zur Platinentemperatur eingestellt wird. So können mit dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug unterschiedliche Werkstoffeigenschaften in der Platine eingestellt werden. Beispielsweise kann über die geregelten Temperaturzonen ein Spannungsarmglühen während und/oder nach dem Umformen durchgeführt werden.
  • Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs kann die Regelung der einzelnen Temperaturzonen dadurch verbessert werden, dass mindestens eine der Anzahl der Temperaturzonen entsprechende Anzahl an Mitteln zur Temperaturmessung vorgesehen sind. Vorzugsweise können diese den einzelnen Mitteln zur Temperierung der Temperaturzonen zugeordnet sein, so dass Temperaturmesswerte jeder einzelnen Temperaturzone gemessen werden können. Als Mittel zur Temperaturmessung werden üblicherweise Thermoelemente verwendet.
  • Diese sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Temperatur der an der Umformung beteiligten Kontaktflächen einzelner Umformwerkzeugelemente gemessen werden kann. Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, dass die Temperatursensoren in unmittelbarer Nähe der Kontaktflächen angeordnet sind. Andererseits besteht die Möglichkeit über hoch wärmeleitende Einsätze die Position der Mittel zur Temperaturmessung von der Kontaktfläche entfernt vorzunehmen und dennoch Informationen über die Temperatur der Kontaktfläche zu erhalten.
  • Gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs sind als Mittel zur Temperierung Heizpatronen, Heizspiralen, Heizdrähte oder Medienführungen für temperierte Wirkmedien vorgesehen. Als temperierte Wirkmedien kommen beispielsweise Öl, Wasser oder Gas in Betracht, wobei die temperierten Wirkmedien sowohl eine Wärmeabgabe als auch eine Wärmeaufnahme gewährleisten können. Die Heizpatronen, Heizspiralen oder Heizdrähte lassen zwar keinen Wärmeabfluss ihrerseits zu, sind jedoch besonders einfach in das Umformwerkzeug zu integrieren und leicht steuerbar.
  • Vorzugsweise werden die genannten Mittel zur Temperierung auf besonders einfache Art und Weise dadurch gesteuert, dass Ansteuerungsmittel vorgesehen sind, welche die Temperatur der Mittel zur Temperierung des Umformwerkzeugs sowie die gemessenen Temperaturen der einzelnen Temperaturzonen verwenden, um die Wärmeabgabe und/oder -aufnahme der Mittel zur Temperierung des Umformwerkzeugs zu regeln. Mit dieser Maßnahme ist ein direkter Soll-Ist-Vergleich zwischen den Temperaturen der Temperaturzonen und den Temperaturen der Temperiermittel möglich, so dass eine einfache und genaue Temperaturregelung der Temperaturzonen erfolgen kann.
  • Gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform sind Isoliermittel zur Wärmeisolierung einer Umformwerkzeugaufnahme des Umformwerkzeugs und/oder zur Wärmeisolierung einzelner Umformwerkzeugelemente untereinander vorgesehen. Die Wärmeisolierung der Umformwerkzeugaufnahme bewirkt einerseits, dass kein unnötiger Wärmeabfluss über die Umformwerkzeugaufnahme erfolgt. Andererseits führt die Wärmeisolierung einzelner Umformwerkzeugelemente untereinander dazu, dass ein Temperaturprofil der einzelnen Umformwerkzeugelemente und damit ein Temperaturprofil der einzelnen Temperaturzonen prozesssicherer eingestellt werden kann.
  • Trotz der Wärmeisolierung der Umformwerkzeugaufnahme ist vorzugsweise mindestens eine separate Kühlung der Umformwerkzeugaufnahme vorgesehen, um diese auf einem stabilen Temperaturniveau zu halten. Insbesondere kann über die separate Kühlung der Umformwerkzeugaufnahme erreicht werden, dass ein im Serieneinsatz eingesetztes Umformwerkzeug wesentlich schneller im Temperaturgleichgewicht ist und damit konstante Prozessparameter ermöglicht.
  • Gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs sind Mittel zur Variierung der Flächenpressung des Umformwerkzeugs vorgesehen. In Verbindung mit den geregelten Temperaturzonen der Kontaktflächen der Umformwerkzeugelemente ermöglicht die Variierung der Flächenpressung des Umformwerkzeugs Einfluss auf die Abkühlgeschwindigkeit von Platinenbereiche oder der gesamten Platine zu nehmen. Damit ist es prinzipiell möglich, beim Presshärten das resultierende Gefüge einzustellen und zumindest teilweise Eigenschaften der Platine zu beeinflussen. Beispielsweise kann durch eine hohe Flächenpressung und eine hohe Temperaturdifferenz eine sehr hohe Abkühlgeschwindigkeit eingestellt werden, welche bei hoch- und höchstfesten Stählen, insbesondere bei Mangan-Bor-Stählen, zu einem groben martensitischen Gefüge führt. Andererseits kann auch, wie häufig gewünscht, ein feines martensitisches Gefüge über die Einstellung einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit eingestellt werden.
  • Sind als Umformwerkzeugelemente mindestens ein Ziehring, mindestens ein Stempel und mindestens ein Blechhalter vorgesehen, wobei die Kontaktflächen des Ziehrings, des Stempels und/oder des Blechhalters mit der Platine einzeln regelbare Temperaturzonen bilden, kann ein einfaches Umformwerkzeug zum Presshärten und temperierten Umformen einer Platine aus höher- und/oder höchstfestem Stahl zur Verfügung gestellt werden.
  • Vorzugsweise ist das Umformwerkzeug zumindest zur Erwärmung von Teilbereichen des Umformwerkzeugs auf unterhalb der AC3-Temperatur, insbesondere auf maximal 650 °C, ausgelegt. Einerseits wird die Platine beim Presshärten mit Temperaturen im Bereich der AC3-Temperatur in das Umformwerkzeug eingelegt und kühlt im Werkzeug ab, so dass das Umformwerkzeug zumindest kurzzeitig die AC3-Temperatur annehmen kann. Andererseits kann auch ein Anlassen der Platine im Umformwerkzeug erfolgen. Bei einer Auslegung des Werkzeugs für Temperaturen von maximal 650 °C können kostengünstigere Warmarbeitsstähle bei der Herstellung des Umformwerkzeugs verwendet werden, so dass die Kosten für die Herstellung des Werkzeuges reduziert werden.
  • Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass die Platine über Kontaktflächen von im Umformwerkzeug zur Umformung vorgesehener Umformwerkzeugelemente umgeformt wird, wobei die Kontaktflächen zumindest teilweise einer Mehrzahl im Umformwerkzeug vorgesehener Temperaturzonen zugeordnet sind und eine Mehrzahl an Temperaturzonen des Umformwerkzeugs über Mittel zur Temperierung während des Umformens jeweils auf vordefinierte Temperaturwerte temperiert werden.
  • Wie bereits ausgeführt, kommt einer genauen Kontrolle der Temperaturen der Platine während des Umformens beim Presshärten und temperierten Umformen von Platinen aus höher- und/oder höchstfesten Stählen besondere Bedeutung zu, da dann nicht nur die Warmumformeigenschaften gut kontrolliert werden können, sondern darüber hinaus über die Abkühlgeschwindigkeiten Einfluss auf das Gefüge genommen werden kann. Erfindungsgemäß wird dies durch die einzeln regelbaren Temperaturzonen, die den Kontaktflächen des Umformwerkzeugelementen zugeordnet sind, erreicht.
  • Vorzugsweise weisen die Temperaturzonen im Umformwerkzeug während des Umformens einheitliche oder unterschiedliche Temperaturen auf. Je nach Bedarf kann damit während es Umformens ein Temperaturprofil innerhalb der Platine oder eine konstante Temperatur in den umgeformten Bereichen der Platine eingestellt werden.
  • Wie bereits ausgeführt, können kostengünstigere Umformwerkzeuge gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch verwendet werden, dass die Temperatur der einzelnen Temperaturzonen im Umformwerkzeug während des Umformens eine Temperatur von maximal 650 °C nicht übersteigt. In diesem Fall können kostengünstige Warmarbeitsstähle für die Herstellung des Umformwerkzeugs verwendet werden.
  • Beträgt die Temperatur mindestens einer Temperaturzone im Umformwerkzeug mehr als 200 °C, so kann das Gefüge der pressgehärteten Platine in dieser Temperaturzone auf eine verbesserte Bruchdehnung unter reduzierten Werten in Bezug auf die Streckgrenze und Zugfestigkeit eingestellt werden. Darüber hinaus reduzieren sich aufgrund einer höheren Werkzeugtemperatur Gefügeschwankungen aufgrund wechselnder Flächenpressungen. Hierfür wird die Ursache darin gesehen, dass die Schwankung der Abkühlraten trotz unterschiedlicher Flächenpressungen bei höheren Werkzeugtemperaturen verringert wird.
  • Übersteigt die Temperatur zumindest einer Temperaturzone im Umformwerkzeug 200 °C nicht, so werden in diesem Bereich maximale Streckgrenzen und Zugfestigkeiten bei einer verringerten Bruchdehnung erzielt.
  • Ein weiterer Parameter zur Beeinflussung des Gefüges der Platine während des Umformens kann dadurch bereitgestellt werden, dass das Abkühlverhalten der Platine zumindest teilweise über die Flächenpressungen des Umformwerkzeugs eingestellt wird. Insbesondere in Bereichen niedriger Temperaturen im Umformwerkzeug, also in Bereichen mit einer Temperatur unterhalb von 200 °C, führt eine Variation der Flächenpressung zu deutlich unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten, so dass das Gefüge der Platine insbesondere in diesen Temperaturzonen über die Flächenpressung veränderbar ist.
  • Wird ein Komplexphasenstahl, insbesondere ein Komplexphasenstahl vom Typ CP-W 800, verwendet, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise bei höheren Umformwerkzeugtemperaturen die Umformeigenschaften einer entsprechenden Platine verbessert werden, ohne Gefügeumwandlungen, beispielsweise Verfestigungen, zu verursachen, welche im Hinblick auf eine anschließende mechanische Bearbeitung der Platine die Standzeit von Bearbeitungswerkzeugen negativ beeinflusst.
  • Besonders hohe mechanische Festigkeitswerte können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht werden, dass beispielsweise ein Mangan-Bor-Stahl, insbesondere ein Mangan-Bor-Stahl vom Legierungstyp 22MnB5, verwendet wird. Mit dem genannten Stahltyp können Zugfestigkeiten von größer als 1500 MPa und Streckgrenzen von mehr als 1000 MPa erreicht werden, wobei die Bruchdehnung A80 etwa bei 5 % liegt.
  • Um während des Presshärtens und temperierten Umformens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Oxidbildung auf der Oberfläche der Platine zu verhindern, weisen die Platinen erfindungsgemäß eine Oberflächenbeschichtung zum Schutz vor Oxidbildung auf. Beispielsweise kann ein entsprechender Oxidschutz der Oberflächen der Platine durch eine Aluminium-Silizium-Beschichtung bereitgestellt werden.
  • Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Umformwerkzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Presshärten und temperierten Umformen weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Umformwerkzeugs in Verbindung mit der Zeichnung.
  • In der Zeichnung zeigt die einzige Figur in einer perspektivischen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs zum Presshärten und temperierten Umformen einer Platine aus höher- und/oder höchstfesten Stählen. Das in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs zum Presshärten und temperierten Umformen weist zunächst als Umformwerkzeugelemente einen Ziehring 1, einen Stempel 2 sowie einen Blechhalter 3 auf. In der Aufnahme 4 für den Ziehring 1 sind Heizdrähte 5 angeordnet, welche den Ziehring 1 als erste Temperaturzone temperieren. Der Stempel 2 weist eine Heizspirale 6 auf, so dass dessen Temperatur ebenfalls geregelt werden kann. Schließlich umfasst die Aufnahme 7 des Blechhalters Heizdrähte 8, welche den Blechhalter 3 temperieren. Die einzelnen Temperaturzonen, welche aus den Kontaktflächen des Ziehrings 1, des Stempels 2 und des Blechhalters 3 mit der Platine gebildet werden sowie die einzelnen Heizdrähte werden durch Isoliermaterial 9 gegenüber Wärmeverlusten, beispielsweise in die Werkzeugaufnahme 13, isoliert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs sind die einzelnen Umformwerkzeugelemente 1, 2, 3, welche die einzelnen Temperaturzonen bilden, zwar nicht untereinander wärmeisoliert. Allerdings ist durch Anordnung der Thermoelemente 10, 11, 12 in unmittelbarer Nähe der Kontaktflächen der Umformwerkzeugelemente 1, 2, 3 mit der Platine gewährleistet, dass eine genaue Temperierung der entsprechenden Bereiche der Platine erreicht werden kann. Wie aus der Figur zu erkennen ist, ist der Ziehring 1 sowie der Blechhalter 3 und der Stempel 2 gegenüber der Werkzeugaufnahme wärmeisoliert, so dass ein unkontrollierter Wärmeabfluss in die Werkzeugaufnahme 13 verhindert wird.
  • Die drei Temperaturzonen des Ziehrings 1, des Stempels 2 und des Blechalters 3 können unabhängig voneinander auf unterschiedliche Temperaturen von Raumtemperatur bis beispielsweise maximal 650 °C, bevorzugt 200 bis 650 °C, insbesondere 400 °C bis 650 °C, eingestellt werden. Erfindungsgemäß können damit auch Temperaturprofile im Umformwerkzeug erzeugt werden, um an entsprechenden Stellen der umgeformten Platine eine Gefügeänderung, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten der Platine in diesen Bereichen, herbeizuführen. Der Einfachheit halber, sind in der einzigen Figur Mittel zur Variierung der Flächenpressung sowie die Mittel zur Ansteuerung der einzelnen Heizdrähte der Temperaturzonen nicht dargestellt.
  • Bei Versuchen mit Platinen beispielsweise aus Mangan-Bor-Stahl vom Legierungstyp 22MnB5 sind unterschiedliche Temperaturen im gesamten Werkzeug eingestellt worden. Der Einfachheit halber wurde bei den Versuchen die Temperatur im Ziehring 1, Stempel 2 und Blechhalter 3 jeweils identisch eingestellt. Aufgrund der Position der Thermoelemente 10, 11, 12 ist damit gewährleistet, dass die eingestellte Temperatur auch an den Kontaktflächen zur Platine vorliegt und damit der Umformtemperatur entspricht. In den Versuchen zeigte sich, dass bei geringen Werkzeugtemperaturen, d.h. unterhalb von 200 °C, die höchsten Festigkeitswerte bei einer Bruchdehnung A80 von etwa 5 % erzielt werden konnten. Die Messwerte für die Streckgrenze RP0,2 lagen oberhalb von 1050 MPa und für die Zugfestigkeit Rm oberhalb von 1500 MPa. Bei höheren Werkzeugtemperaturen oberhalb von 200 °C sanken die Werte für die Streckgrenze RP0,2 auf unter 1000 MPa ab. Gleichzeitig betrugen die Werte für die Zugsfestigkeit auf unter 1500 MPa. Allerdings steigerte sich die Bruchdehnung A80 auf etwa 5,8 %. Beispielsweise sanken bei einer Werkzeugtemperatur von 400 °C die Zugfestigkeit auf Rm = 820 MPa, die Streckgrenze auf RP0,2 = 610 MPa ab. Die Bruchdehnung stieg dagegen auf A80 = 10 %. Die Ursache für die geänderten Festigkeitswerte wird darin gesehen, dass bei höherer Umformwerkzeugtemperatur weiterhin Austenitanteile im Gefüge vorhanden sind. Um ein Gefüge mit höheren Bruchdehnungswerten zu erzielen werden daher Umformwerkzeugtemperaturen von beispielsweise 400 °C bis 650 °C bevorzugt. Bei Umformwerkzeugtemperaturen unterhalb von 200 °C besteht das Gefüge dagegen nur noch aus Martensit und eine maximale Festigkeit bei verringerter Bruchdehnung wird erreicht.
  • Es zeigte sich darüber hinaus, dass bei einer erhöhten Werkzeugtemperatur unterschiedliche Flächenpressungen auf die Gefügeausbildung nur einen geringen Einfluss hatten. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die unterschiedlichen Flächenpressungen, welche in einem Bereich von 0,15 MPa bis 3,83 MPa variiert wurden, nur geringe Unterschiede in der Abkühlrate für den Temperaturbereich von 790 °C bis 390 °C bewirkten. Die für diesen Temperaturbereich gemessenen Abkühlraten lagen zwischen 80 und 115 K/s. Wird das Umformwerkzeug jedoch auf eine Temperatur unterhalb von 200 °C temperiert, so ist aufgrund des großen Temperaturunterschiedes zwischen der Platine und dem Umformwerkzeug der Einfluss der Flächenpressung auf die Abkühlrate und damit deren Einfluss auf die Ausbildung des Gefüges deutlich größer. Es hat sich herausgestellt, dass bei niedrigen Werkzeugtemperaturen, d.h. unterhalb von 200 °C, über die Flächenpressung unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten von 80 K/s bis 480 K/s gemessen werden konnten. Dies hatte zur Folge, dass bei den extrem hohen Abkühlgeschwindigkeiten ein sehr grobes martensitisches Gefüge entstanden ist. Bei Abkühlgeschwindigkeiten von 80 K/s bis 130 K/s entstand dagegen ein feinkörniges martensitisches Gefüge, welches insgesamt als vorteilhaft angesehen wird. Die gemessenen Werte für die Streckgrenze und die Zugfestigkeit wurden durch die unterschiedlichen Gefügeausbildungen nicht geändert. Um maximale Festigkeitswerte beim Presshärten und temperierten Umformen von höher- und/oder höchstfesten Stählen zu erreichen, muss daher die Temperaturführung im Umformwerkzeug bzw. in der umzuformenden Platine sehr genau eingehalten werden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umformwerkzeugs zum Presshärten und temperierten Umformens ist hierzu besonders geeignet.
  • An einem Komplexphasenstahl, beispielsweise einem CP-W 800 wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Platinen aus dem vorbezeichneten Werkstoff wurden beispielsweise auf 650 °C erhitzt und im temperierten Umformwerkzeug bei einer einheitlichen Temperatur von 650 °C umgeformt. Es konnte festgestellt werden, dass hierdurch nahezu keine Gefügeumwandlung in der Platine verursacht wurde und gleichzeitig die Umformeigenschaften erheblich verbessert werden konnten. Das Ausbleiben der Gefügeumwandlung während des temperierten Umformens hat insbesondere Vorteile im Hinblick auf den Verschleiß von beispielsweise spanabhebenden Werkzeugen, die bei einer anschließenden mechanischen Bearbeitung umgeformter Platinen verwendet werden.

Claims (19)

  1. Umformwerkzeug zum Presshärten und temperierten Umformen einer Platine aus höher- und/oder höchstfesten Stählen mit Mitteln zur Temperierung des Umformwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Umformwerkzeug eine Mehrzahl regelbarer Mittel (5, 6, 8) zur Temperierung des Umformwerkzeugs vorgesehen sind, durch welche eine Mehrzahl an Temperaturzonen im Umformwerkzeug temperiert werden können, wobei zumindest die Kontaktflächen der für die Umformung verwendeten Umformwerkzeugelemente (1, 2, 3) einzelnen Temperaturzonen zugeordnet sind.
  2. Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Anzahl der Temperaturzonen entsprechende Anzahl an Mitteln zur Temperaturmessung (10, 11, 12) vorgesehen sind.
  3. Umformwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperaturmessung (10, 11, 12) so angeordnet sind, dass die Temperatur der an der Umformung beteiligten Kontaktflächen einzelner Umformwerkzeugelemente (1, 2, 3) gemessen werden kann.
  4. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Temperierung (5, 6, 8) Heizpatronen, Heizspiralen, Heizdrähte oder Medienführungen für temperierte Wirkmedien vorgesehen sind.
  5. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Ansteuerungsmittel vorgesehen sind, welche die Temperatur der Mittel (5, 6, 8) zur Temperierung des Umformwerkzeugs sowie die gemessene Temperatur der einzelnen Temperaturzonen verwenden, um die Wärmeabgabe und/oder -aufnahme der Mittel (5, 6, 8) zur Temperierung zu regeln.
  6. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Isoliermittel (9) zur Wärmeisolierung einer Umformwerkzeugaufnahme (13) des Umformwerkzeugs und/oder zur Wärmeisolierung einzelner Umformwerkzeugelemente (1, 2, 3) untereinander vorgesehen sind.
  7. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine separate Kühlung der Umformwerkzeugaufnahme (13) vorgesehen ist.
  8. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Variierung der Flächenpressung des Umformwerkzeugs beim Umformen vorgesehen sind.
  9. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Umformwerkzeugelemente mindestens ein Ziehring (1), mindestens ein Stempel (2) und mindestens ein Blechhalter (3) vorgesehen sind, wobei die Kontaktflächen des Ziehrings (1), des Stempels (2) und/oder des Blechhalters (3) mit der Platine einzeln regelbare Temperaturzonen bilden.
  10. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug zur Erwärmung zumindest von Teilbereichen des Umformwerkzeugs auf unterhalb der AC3-Temperatur, insbesondere auf maximal 650 °C, ausgelegt ist.
  11. Verfahren zum Presshärten und temperierten Umformen von Platinen aus höher- und/oder höchstfesten Stählen, bei welchem die Platine vor dem Umformen erhitzt wird und anschließend in einem Umformwerkzeug warm oder halbwarm umgeformt wird, wobei das Umformwerkzeug Mittel zur Temperierung aufweist, insbesondere unter Verwendung eines Umformwerkzeugs nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine über Kontaktflächen von im Umformwerkzeug zur Umformung vorgesehener Umformwerkzeugelemente umgeformt wird, wobei die Kontaktflächen zumindest teilweise einer Mehrzahl im Umformwerkzeug vorgesehener Temperaturzonen zugeordnet sind und eine Mehrzahl an Temperaturzonen des Umformwerkzeugs über Mittel zur Temperierung während des Umformens jeweils auf vordefinierte Temperaturwerte temperiert werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturzonen im Umformwerkzeug während des Umformens einheitliche oder unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der einzelnen Temperaturzonen im Umformwerkzeug während des Umformens eine Temperatur von maximal 650 °C nicht übersteigt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur mindestens einer Temperaturzone im Umformwerkzeug größer als 200 °C beträgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur mindestens einer Temperaturzone 200 °C nicht übersteigt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlverhalten der Platine zumindest teilweise über die Flächenpressungen des Umformwerkzeugs eingestellt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Komplexphasenstahl, insbesondere ein Komplexphasenstahl vom Typ CP-W 800, verwendet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mangan-Bor-Stahl, insbesondere ein Mangan-Bor-Stahl vom Legierungstyp 22MnB5, verwendet wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine eine Oberflächenbeschichtung zum Schutz vor Oxidbildung aufweist.
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