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EFB-Forschungsbericht Nr. 373

Untersuchung der Eignung alternativer Blechwerkstoffe für das Presshärten

efb373

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Claus-Peter Eckold, Dr.-Ing. Sven Hübner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Claudia Fleck, Dipl.-Ing. Paul Schüler, Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien, Fachgebiet Werkstofftechnik der Technischen Universität Berlin

68 Seiten (sw, 40 teils farbige Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-416-2

Preis (Digital) EUR 47,21

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Presshärten ist als ein Herstellungsverfahren bekannt, mit dem Bauteile aus Stahlfeinblechen mit erhöhten Festigkeiten für den automobilen Karosserieleichtbau besonders effektiv und rückfederungsarm  produziert werden können. Die Zuschnitte werden dazu zunächst erwärmt und anschließend im gekühlten Werkzeug umgeformt und dadurch gehärtet.

Neben einer guten Umformbarkeit sind sehr hohe  Bauteilfestigkeiten von Rm > 1.500 MPa sowie eine hohe Maßhaltigkeit realisierbar. Als Blechwerkstoff kommt derzeit für das Presshärten vorwiegend der mangan- und borlegierte Stahl 22MnB5 zum  Einsatz, obwohl in anderen Fertigungsbereichen ein großes Spektrum an härtbaren Vergütungsstählen mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet wird. Die Legierungselemente Mangan und Bor bewirken dabei eine Reduzierung der zur Martensitbildung erforderlichen kritischen Abkühlgeschwindigkeit. Höhere Abkühlgeschwindigkeiten sind mit aktuellen Presshärtwerkzeugen jedoch durchaus  erreichbar.
Ziel des Projekts ist es daher, bereits verfügbare Werkstoffe zu identifizieren, die für das Presshärten geeignet sind.

Es wurden die folgenden Blechwerkstoffe auf Eignung zum Presshärten untersucht: Die unlegierten Vergütungsstähle C35 und C45 sowie der legierte Vergütungsstahl 42CrMo4. Als Referenzmaterial  wurde 22MnB5 von Fa. Salzgitter und von Fa. ThyssenKrupp Steel der entsprechende Werkstoff MBW-K ® 1500 gewählt. Presshärtversuche mit unterschiedlichen Wärmebehandlungsparametern wurden zur Bestimmung der Prozessfenster zunächst im Abschreck- und Umformdilatometer durchgeführt. Darauf aufbauend wurden Presshärtversuche mit einem Modellumformwerkzeug durchgeführt. Die Dilatometerproben und Presshärtbauteile wurden mit Gefügeanalysen, Härteprüfung und Zugversuchen untersucht, um Aufschluss über die Auswirkung des Presshärtens auf Gefüge und  Bauteileigenschaften zu erhalten.

Mit Hilfe von ZTA- und ZTU-Diagrammen und der Dilatometerversuche wurden die entsprechenden Prozessfenster ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass mit den unlegierten Vergütungsstählen C35 und C45 Zugfestigkeiten nach dem Presshärten von 1200 MPa bis 1400 MPa bei vergleichbaren Gleichmaßdehnungen wie beim 22MnB5, bzw. MBW-K ® 1500erreicht werden können. Gefügeanalysen, die mit Härtemessungen nach Vickers kombiniert wurden, zeigten bei beiden C-Stählen vollständig martensitische Gefügezustände bei Abkühlraten von 100 K/s, während bei einer geringeren Abkühlunggeschwindigkeit von 40 K/s beim C45 neben Martensit auch Bainitphasen auftreten und beim C35 ein bainitisch-ferritisch-perlitisches Mischgefüge vorliegt. Beim 42CrMo4 hingegen bildet sich bereits bei 20 als auch 40 bzw. 100 K/s ein sehr hartes und sprödes martensitisches (und von wenigen Bainitphasen durchzogenes) Gefüge aus.

Eine starke Streuung der Zugversuchsergebnisse nach dem Presshärten bei den Stählen C35 und C45 sowie das sehr kleine Prozessfenster verglichen mit dem 22MnB5 von Fa. Salzgitter und MBW-K® 1500 von ThyssenKrupp Steel bewirken jedoch, dass diese Alternativwerkstoffe mit der derzeitigen Serientechnik nicht für das Presshärten eingesetzt werden können. Der legierte Vergütungsstahl  42CrMo4 weist eine sehr hohe Sprödigkeit nach dem Presshärten auf. Daher ist dieser für den technischen Einsatz als Presshärtmaterial ungeeignet.
Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Untersuchung der Eignung alternativer Blechwerkstoffe für das Presshärten“ wurde unter der Fördernummer AiF 16453N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 373 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Press hardening is known as a manufacturing process for producing components of steel sheets with increased strength for automotive lightweight body particularly effectively and with minor spring-back. Therefore, the blanks are heated first and then formed in the cooled tool and thereby cured. In addition to good formability very high component strength of Rm > 1500 MPa and a high dimensional stability are realized. As sheet material currently the manganese and boron-alloyed steel for press hardening 22MnB5 is mainly used, although in other areas of production a wide range of curable tempered steels with different properties is used.

The alloying elements manganese and boron thereby cause a reduction in the required critical cooling rate for martensite. However, higher cooling rates are quite achievable with current press-hardening tools. The aim of the project is therefore to identify already available materials that are suitable for hot stamping.

The following sheet materials were examined for suitability for press-hardening: the unal-loyed quenched and tempered steels C35 and C45 and the alloyed tempering steel 42CrMo4. 22MnB5 of Salzgitter and the correspondent material of ThyssenKrupp Steel MBW-K ® 1500 were chosen as reference material. Press-hardening trials with different heat-treatment parameters were first performed to determine the process window in the quench and deformation dilatometer. Based on this, press-hardening trials were performed with a model forming tool. The dilatometer specimens and the press-hardening components were examined with microstructural analysis, hardness tests and tensile tests to obtain information on the impact of press hardening on the microstructure and component properties.

With the help of TTT and TTA diagrams as well as trials in the dilatometer the corresponding process windows were determined. It could be shown that tensile strengths after the press hardening from 1200 MPa to 1400 MPa can be achieved with the unalloyed quenched and tempered steels C35 and C45 at comparable uniform elongation as with 22MnB5, respectively MBW-K ® 1500. Microstructural analyses combined with Vickers hardness tests showed both carbon steels fully martensitic structure states at cooling rate of 100 K / s, while at a lower cooling rate of 40 K / s C45 contained in addition to martensite also bainite and C35 a bainitic-ferritic-pearlitic mixed structure. 42CrMo4 on the other hand, consisted already at 20 and 40 as well as 100 K / s of a very hard and brittle martensite (with few bainite) structure.

A strong scattering of the tensile test after press hardening of the steels C35 and C45 as well as very small process windows compared with the 22MnB5 of Salzgitter and the MBW-K ® 1500 of ThyssenKrupp Steel causes, however, that these alternative materials cannot be used for press hardening with the current mass production technology. The alloyed tempering steel 42CrMo4 has a very high brittleness after press hardening.
Therefore, this is not suitable for industrial use for press hardening. The aim of the project was partly achieved.

Inhaltsverzeichnis

1    Zusammenfassung
2    Ausgangssituation, Ziele und Lösungsweg
2.1    Ausgangssituation
2.2    Stand der Forschung
2.3    Zielsetzung
2.4    Arbeitspunkte
3    Härtungsversuche
3.1    Umform- und Abschreckdilatometer DIL805A/D + T
3.2    Analytische Festlegung der ersten Härtungsparameter
3.3    Erste Härtungsversuche
3.4    Austenitisierungsversuche
3.5    Härtungsversuche
4     Gefügeanalysen
4.1    Ausgangszustände
4.2    Gehärtete Zustände
5    Mechanische Blechwerkstoffcharakterisierung
5.1    Härteuntersuchungen
5.2    Zugversuche
6    Untersuchung der Auswirkung von Weiterverarbeitungsprozessen
7    Modellumformversuche (Presshärten)
8    Analyse der Ziehteilqualität, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
8.1    Härte- und Gefügeuntersuchungen
8.2    Zugversuche
8.3    Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
9    Dokumentation
9.1    Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse
9.2    Innovativer Beitrag der erzielten Ergebnisse
9.3    Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
10    Literatur