EP2125263B1 - Method and apparatus for the temperature-controlled shaping of hot-rolled steel material - 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
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- 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
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- B21D37/16—Heating or cooling
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
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- 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 by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
- C21D8/04—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- 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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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum temperierten Umformen von warmgewalztem Stahlmaterial.The invention relates to a method and a device for tempered forming of hot-rolled steel material.
Es ist bekannt, aus Stahlblech durch Umformungen, wie Tiefziehen, geeignete Bauteile zu erzeugen. Hierbei werden sowohl warmgewalzte als auch warm- und kaltgewalzte Stahlgüten verwendet.It is known to produce suitable components from sheet steel by forming, such as deep drawing. Both hot rolled and hot and cold rolled steel grades are used here.
Derartige Umformverfahren können sowohl als Warmumformverfahren als auch als Kaltumformverfahren durchgeführt werden.Such forming processes can be carried out both as a hot forming process and as a cold forming process.
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.In general, hot working describes deformation in the austenitic region. The maximum temperature of 980 ° C should not be exceeded, if no additional annealing should take place. Furthermore, the transformation must be completed above 750 ° C and the cooling must then take place in still air. For this process, only steels for normalizing can be used as they ensure the strength even after annealing at 950 ° C.
Der Ablauf dieses Verfahrens ist in
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.Typical components that are manufactured in this way are axle bridges of trucks. Here, hot forming is used to reduce the forming force and the bending radii. At the same time, in a second step, the bending edges can be compressed, whereby the component undergoes a higher rigidity.
Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der
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.This production has the disadvantage that the workpiece must be manipulated twice. There are different cooling rates. Depending on the tool temperature, the cooling rate in the tool may be higher or lower than static air. As will be described, cooling is of great importance for normalized annealed steels.
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.Due to the two-stage process, 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.
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 (
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
Die Auswahl an Stählen für derartige Warmumformverfahren ist auf normalisierend geglühte Stähle begrenzt.The choice of steels for such hot forming processes is limited to normalized annealed steels.
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.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%.
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
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.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.
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.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. In normalized annealed products, 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. Furthermore, following annealing, 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.
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.Thermomechanically rolled steels obtain their strength from targeted production during hot rolling. In this case, 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.
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.Since 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.
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.Solidification in equilibrium requires slow cooling rates, this applies more to normalizing rolled steels. In addition, the 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.
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.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.
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.While normalized rolled steels are only standardized up to a maximum yield strength of 460 MPa for sheet thicknesses below 16 mm, TM steels are standardized up to a minimum yield strength of 700 MPa at 8 mm (> 8 mm, the yield strength may be 20 MPa lower) , This information can be found in the standards DIN EN 10025-3 for normalizing rolled steels and for thermomechanically rolled steels the standard DIN EN 10149-2 is decisive.
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.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.
Eine Gegenüberstellung der Herstellpfade im Warmwalzwerk ist der
Die Abkürzungen in
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.If one compares the microstructure between normalizing rolled and TM rolled, the increased proportion of carbon-rich perlite (dark phase) can be clearly determined. A grain refinement, and thus an increase in the strength, ductility and toughness is only possible by the thermomechanical production.
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.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.
Aus der
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.For cold forming both steel grades can be used, with 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.
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.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.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a method having the features of
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unterensprüchen gekennzeichnet.Further advantageous embodiments are characterized in the subclaims.
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.It is a further object of the invention to provide an apparatus for carrying out the method with which the forming is carried out simply, quickly and safely, which has low wear, works with a high cycle time and reduces the investment.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.The object is achieved with a device having the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous developments are characterized in the dependent claims.
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.In the method according to the invention, 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.
Für dieses Verfahren können Stähle verwendet werden, welche bei Temperaturen bis max. 700°C stabile Gefüge besitzen.For this process, steels can be used, which at temperatures up to max. 700 ° C stable structure possess.
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.In addition to normalized rolled steels, these include, above all, 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.
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.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.
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.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-xidhäute formed on the surface of the workpiece. comparing unhardened hot strip with inventively formed components, no difference in surface formation is apparent.
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
- guided forming
- Upsetting material
- Embossing of welding edges
- part ejection
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.
- a tool for all functions;
- lower wear costs due to process parameters and tool reduction;
- Increasing the cycle time because the component can be manufactured in one working stroke;
- Reduction of investment:
- More compact oven systems can be used, resulting in lower CO 2 emissions; Pressing force is not increased because there is only one component in the tool instead of two;
- All functions are in the tool, ie the press can be easily executed.
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:
- the procedure of a dual-acting inventive process;
- FIG. 2:
- the structure of a dual-acting tool according to the invention;
- FIG. 3:
- the forming forces as a function of the temperature;
- FIG. 4:
- the temperature profile in the process according to the invention at a starting temperature of 700 ° C;
- FIG. 5:
- the temperature profile in the process according to the invention at a starting temperature of 500 ° C;
- FIG. 6:
- the oxidation rate of iron in air;
- FIG. 7:
- solidification at 180 ° folding of TM steel;
- FIG. 8:
- the hardness curve for tempered steel (V) and thermo-mechanically rolled steel (TMBA);
- FIG. 9:
- the mechanical characteristics of thermomechanically rolled steel as a function of the annealing temperature;
- FIG. 10:
- the production of components according to a first embodiment of the method according to the invention;
- FIG. 11:
- the production of components according to a second embodiment of the method according to the invention;
- FIG. 12:
- the production of components according to a third embodiment of the method according to the invention;
- FIG. 13:
- the production of components according to a fourth embodiment of the method according to the invention;
- FIG. 14:
- a comparison of thermomechanically rolled steel versus normally annealed steel;
- FIG. 15:
- the yield strength and the carbon equivalent for different production processes and grades of steel;
- FIG. 16:
- the production of hot-rolled steel;
- FIG. 17:
- the structure due to the different production of hot-rolled steel;
- FIG. 18:
- the procedure of a two-stage process according to the prior art;
- FIG. 19:
- the temperature curve during hot forming according to the prior art at a starting temperature of 940 ° C compared to an air cooling;
- FIG. 20:
- the temperature curve during hot forming according to the prior art at a starting temperature of 940 C.
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.In the
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 aufden Matrizeneinsatz 3. Berührtnun das Oberteil 7die Platine 1, so wird durch beidseitigenKontakt von Oberteil 7 undMatrizeneinsatz 3die 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) wirdnun der Matrizeneinsatz 3durch den Stempel 2 verdrängt. Dabei sind die Kräfte derFederpakete von Stempel 2zu Matrizeneinsatz 3 so abgestimmt, dass inder Platine 1 keine Abdrücke erzeugt werden.Im Schritt 3 wird der Bauteil zur Gänze umgeformt, wobei derStempel 2 dabei den unteren Totpunkt erreicht hat. Gleichzeitig stützt sichnun der Matrizeneinsatz 3 inder Matrize 6 ab, sodass die Prägekräfte nicht überdas Federpaket 5 übertragen werden müssen. In weiterer Folge wirdnun das Federpaket 4im 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 inSchritt 1 ein.
- The storage of the desired
endgeometrienahen board 1 takes place on the one hand on the lower part 11 of the tool and on the other on thedie insert 3. Now touches theupper part 7, theboard 1, so by both sides contact of theupper part 7 and dieinsert 3, theboard 1 is clamped and the forming is done and not free. Furthermore, this can also adjust any curvature in the tool. In the further deformation (step 2), thedie insert 3 is now displaced by thepunch 2. The forces of the spring assemblies ofstamp 2 are matched to dieinsert 3 so that in theboard 1 no prints are generated. Instep 3, the component is completely transformed, wherein thepunch 2 has reached the bottom dead center. At the same time, thedie insert 3 is now supported in thedie 6, so that the embossing forces do not have to be transmitted via thespring assembly 5. Subsequently, thespring package 4 is now displaced in thepunch 2 and the expression is carried out (step 4). After opening the tool, the spring force of thedie insert 3 is used to eject the component, that is, the tool assumes the position instep 1 again.
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.The production of a component with tight radii and / or weld preparation therefore takes place in a stroke or step of the tool. A processing of the welding edge allows the further use of components for component production without a machining intermediate machining of the edge.
In Abhängigkeit des Ausgangsmaterials können die Platinen zwischen 500°C und 700°C aufgeheizt werden.
Der Temperaturverlauf der temperierten Umformung nach der Erfindung ist am Beispiel einer Umformung von 700°C in
Ein weiteres Beispiel ist in
Nur durch die Kombination von Temperaturführung und Werkstoffauswahl ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren umzusetzen.Only by combining temperature control and material selection is it possible to implement the process according to the invention.
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.Compared to cold forming, much more complex geometries are possible. This is caused by a Nachfördern the material during the forming. As a result, substantially lower outer and inner radii can be produced while maintaining the starting cross-section of the starting material. Therefore, it is possible that with the same mechanical properties of the material larger loads are transmitted, since the surface resistance torques can be greatly increased. With the same load, the wall thickness can be reduced accordingly and thus weight can be saved.
Bei der konventionellen Kaltumformung wird das Material im Verformungsbereich ausgedünnt.In conventional cold forming, the material is thinned out in the deformation area.
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.As already mentioned, 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.
Bei Einhaltung der Glühbedingungen zur Umformung erhöht sich durch beschleunigte Alterungseffekte die Streckgrenze. Des weiteren können sich noch Ausscheidungen bilden.If the annealing conditions for forming are maintained, the yield strength increases due to accelerated aging effects. Furthermore, precipitations can still form.
Kurzfristige Temperaturen, wie sie z.B. beim Flammrichten auftreten, können, sofern sie entsprechend der Lieferbedingung des Vormaterials durchgeführt werden, analog dem Ausgangsmaterial durchgeführt werden.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.
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.Due to the selected temperature range for forming all materials can be used, which retain their properties by a tempered heat treatment. This also applies to normalizing rolled steels, if special processing requires the use of these steels.
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.Preference is given to using 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.
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
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.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.
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
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.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.
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.The invention will be further described by means of embodiments, wherein a specific choice of material is not made here, so that in the method according to the invention all materials already described can be processed.
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.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.
Ein Beispiel für die Verwendung eines thermomechanisch gewalzten Stahles für die temperierte Umformung ist in
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.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.
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.All methods have the simplification in common that in one step both the deformation, as well as the embossing of the side edges takes place. An additional ejector, which could destroy the contour, or the surface of the component is not necessary in any execution. At the same time, lateral clamps on the die insert prevent the component from sticking to the punch. These clamps open automatically when opening the tool or can be controlled with hydraulic or gas.
Der Verfahrensablauf ist in
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.At the beginning of the forming, the
Die Umformung erfolgt im geklemmten Zustand. Feder 4 ist auf Vorspannung, Feder 5 wird durch den Stempel 2 verdrängt.The forming takes place in the clamped state.
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.The punch and die insert reach the bottom dead center. If no welding processing of the edges or thickened corner areas is necessary,
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.In order to save costs, in this step, the processing of the welding edge with
Der Matrizeneinsatz 3 dient gleichzeitig zum Auswurf des Bauteiles und kann in dieser Position die nächste Platine aufnehmen.The
- keine freie Umformung durch Matrizeneinsatz;no free forming by die insert;
-
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 );Embossing takes place only when the component is in the lower dead center, ie It is not moved by the embossing material into the ground - smaller compression path than in the prior art (seeFig. 18 ); - einfacher Werkzeugaufbau, d.h. nur ein Federsystem im Stempel notwendig;simple tool design, i. only one spring system in the stamp necessary;
- geringe Werkzeugkosten;low tooling costs;
- keine zusätzliche wegabhängige Steuerung im Werkzeug notwendig.no additional path-dependent control in the tool necessary.
Der Verfahrensablauf ist in
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
Der Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt. F1, F2 und F3 ohne Veränderung.The components are freely deformed when leaving the Matrizeneinsatzes. F1, F2 and F3 without change.
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.The
System fährt mit Einstellung von Schritt 3 auf Kontakt mit Vorwölber 9.System moves to step 9 on Contact with
Die Kanten 10 des Bauteiles berühren den Matrizenboden. Dadurch wird eine Bevorratung des Werkstoffes im Boden verursacht. F1, F2 und F3 analog Schritt 3.The
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.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.
Verprägen des Bauteiles durch komplettes Verdrängen von F3.Embossing of the component by completely displacing F3.
- Materialbevorratung im Boden;Material storage in the soil;
- geringer Verschleiß in der Zarge;low wear in the frame;
- geringe Stauchung über die Zarge notwendig.slight compression over the frame necessary.
Der Verfahrensablauf ist in
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
Der Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt. F1 und F2 ohne Veränderung.The components are freely deformed when leaving the Matrizeneinsatzes. F1 and F2 without change.
Der Bodenbereich wird zwischen Stempel 2 und Vorwölber 9 geklemmt. F1 und F2 ohne Veränderung.The bottom area is clamped between
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.F1 is displaced by the downward movement of the
Stempel 2 und Prägeleisten 8 fahren gleichzeitig nach unten und verprägen das Bauteil. Dabei wird F2 verdrängt.
- einfacher Werkzeugaufbau, d.h. nur ein Federsystem im Stempel notwendig;simple tool design, i. only one spring system in the stamp necessary;
- geringe Werkzeugkosten;low tooling costs;
- keine zusätzliche wegabhängige Steuerung im Werkzeug notwendig;no additional path-dependent control in the tool necessary;
- Materialbevorratung im Bodenbereich durch Vorwölber.Stockpiling of material in the floor area through protrusions.
Der Verfahrensablauf ist in
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
Der Bauteile wird bei Weglassen des Matrizeneinsatzes frei umgeformt. F1 und F2 ohne Veränderung.The components are freely deformed when leaving the Matrizeneinsatzes. F1 and F2 without change.
Der Bodenbereich wird zwischen Stempel 2 und Vorwölber 9 geklemmt. F1 und F2 ohne Veränderung.The bottom area is clamped between
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.The
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.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.
Ausprägen des Bauteiles durch Ausfahren des Stempels mittels F1. F2 wird dadurch verdrängt.Stamping of the component by extending the stamp by means of F1. F2 is displaced by this.
- Oberteil benötigt nur ein Federsystem;Upper part only needs one spring system;
- geringe Werkzeugkosten;low tooling costs;
- Bevorratung im Bodenbereich unabhängig der Stauchhöhe der Prägeleisten.Stocking in the ground area independent of the crushing height of the stampingists.
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.In the invention, it is advantageous that 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. In addition, the scale formation is reduced, which reduces post-processing and gives the opportunity to produce complex components from higher-strength TM steels.
Als Stahlblech für die Platinen kann blankes Blech aber auch beschichtetes Blech verwendet werden.As a sheet steel for the boards, bare sheet metal but also coated sheet metal can be used.
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.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.
Claims (10)
- Method for shaping steel sheet, wherein a plate is produced from the steel sheet, the plate is inserted into a shaping tool and the shaped workpiece is produced from the plate with the shaping tool in a single-stage process, wherein the plate is heated prior to shaping, wherein the heating is carried out to an extent where the steel does not undergo any phase transition, and the shaping takes place in the ferritic, pearlitic or bainitic range without the eutectoid or recrystallization temperature being exceeded, characterised in that the side edges of the shaped workpiece are stamped or compressed with stamping ledges for stamping small radii and/or for increasing the wall thickness in this area and/or welding pre-processing.
- Method according to claim 1, characterised in that the steel used is a steel which has a stable structure at temperatures of up to maximally 700°C.
- Method according to any one of the preceding claims, that a normalized-rolled steel, a normalized steel or a thermo-mechanically rolled steel are used as the steel material.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the steel is heated to a temperature of 400°C to 800°C, preferably to 600°C to 750°C.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that the plate is inserted between an upper shaping tool part and a lower shaping tool part, wherein the upper part comprises a punch that produces the shape of the component, and the stamping ledges for stamping small radii and, if so desired, a welding pre-processing are additionally present, and the lower shaping tool part comprises a die insert as well as the die itself, wherein, by the upper part touching and the contact of the upper part and the die insert on both sides, the plate is clamped and the shaping carried out, wherein, if shaping is continued, the die insert is displaced by the punch and the component is shaped completely, until the punch has reach the bottom dead centre, the die insert supporting itself in the die and stamping being carried out subsequently.
- Method according to any one of the preceding claims, characterised in that bare or coated steel sheet is used as the steel sheet for producing the plates.
- Method according to claim 6, characterised in that electro-galvanized steel sheet, galvanized steel sheet (hot-dip galvanized steel sheet), a hot-dip coated steel sheet with a hot-dip coating of zinc and aluminium, or aluminium and zinc and optionally other metals, or a coating substantially of aluminium and silicon, or a coating of zinc alloyed with the steel in an alloying step, is used as the coated steel sheet.
- Apparatus for the temperature-controlled shaping of a steel plate, wherein the plate is inserted into a shaping tool and the shaped workpiece is produced from the plate with the shaping tool, in particular apparatus for carrying out the method according to any one of the preceding claims, characterised in that the apparatus comprises an upper part (7) and a lower part, wherein a punch (2) that produces the shape of the component is disposed in the upper part, and stamping ledges for stamping small radii and, if required, a welding pre-processing are additionally present, wherein the punch is connected with the upper part (7) via a spring assembly (4), and a lower part (11) is additionally present in which a die insert (3) and the die (6) itself are disposed, wherein a second spring assembly (5) is present for controlling the die insert (3).
- Apparatus according to claim 6, characterised in that the spring assemblies (4, 5) consist of metal springs, in particular steel springs, hydraulic springs, damping system or gas-pressure springs.
- Apparatus according to claim 6 or 7, characterised in that there is a bulger (9) at the bottom of the die.
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