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EFB-Forschungsbericht Nr. 384

Prozessoptimierung beim Presshärten

efb384

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Jörn Moritz, M. Sc. Jens Schrödter, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Friedrich-Wilhelm Bach, Dipl.-Ing. (FH) Max Diekamp, Institut für Werkstoffkunde (IW) der Leibniz Universität Hannover

98 Seiten (sw, 52 teils farbige Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-429-2

Preis (Digital) EUR 50,35

Preis (Print) EUR 63,00

Zusammenfassung

Das Presshärten ist in den vergangenen Jahren als integriertes Formgebungs- und Wärmebehandlungsverfahren bei der Herstellung von Blechbauteilen, insbesondere für die Automobilindustrie, in den Vordergrund gerückt. Die Forderung nach stetiger Gewichtsreduzierung bei konstanter Festigkeit und Steifigkeit der Bauteile lässt sich für verschiedene Fahrzeugkomponenten durch das Presshärten erfüllen.

Bei der Herstellung von Strukturteilen der Karosserie, wie z.B. A- und B-Säulen, Dachrahmen oder Teilen der Bodengruppe, hat sich das Presshärten etabliert. Als Werkstoff werden Mangan-Bor-Stähle eingesetzt, da mit diesen hohe Festigkeiten bei einer relativ hohen Bruchdehnung zu erzielen sind. Dabei wird der Werkstoff nach der Austenitisierung bei ca. 950 °C in das Umformwerkzeug transferiert, in dem die Formgebung und Härtung erfolgt.

Bei dem in diesem Projekt untersuchten Werkstoff 22MnB5 ist dabei eine Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 27 K/s für eine vollständige Martensitbildung erforderlich. Die Entnahmetemperatur der pressgehärteten Bauteile liegt unterhalb der Martensitfinishtemperatur. Dabei gilt es, diese Temperatur möglichst rasch zu unterschreiten, da die Abkühlzeit den wesentlichen Faktor darstellt, der die Zuhaltezeit der Presse und somit die Verweildauer des Bauteils im Werkzeug definiert.

In diesem Forschungsvorhaben wurde die Integration einer externen Kühlvorrichtung in die Prozesskette des Presshärtens entwickelt und umgesetzt, mit dem Ziel, das Bauteil bei einer erhöhten Temperatur dem Presshärtewerkzeug zu entnehmen und die restliche Abkühlung extern der Presse erfolgen zu lassen. Der Restwärmeentzug erfolgt in einem Sprayfeld, in dem das noch warme Bauteil mit der Beaufschlagung eines Zweiphasen-Sprays in Form eines Wasser-Luft-Gemisches auf eine Temperatur gesenkt wird, bei der eine Weiterverarbeitung möglich ist. Ziel ist es, die Haltezeit im Werkzeug zu reduzieren und somit die gesamte Prozesszeit des Presshärtens zu verkürzen und wirtschaftlicher zu gestalten.
Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Prozessoptimierung beim Presshärten“ wurde unter der Fördernummer AiF 16839N 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. 384 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In recent years press hardening has moved into focus as an integrated method of shaping and heat treatment in the manufacturing of sheet metal components, particularly for the automotive industry. Press hardening meets the requirement of continuous weight reduction while keeping strength and stiffness of the automotive components constant. The method is established in the production of body structure parts, such as a- and b-pillars, roof frames or vehicle floor parts.

Manganese-boron steels are used for this, since they guarantee high strengths at high elongation capacities. After the austenitization at about 950 °C the material is transferred to the forming tool where shaping and hardening take place. For the material 22MnB5 investigated within this project, cooling speeds of at least 27 K/s are necessary to ensure the completion of martensite formation.

Upon the extraction of the press-hardened component, the temperature is lower than the martensite-finish-temperature. It is necessary to swiftly reach a lower temperature, since the cooling time is the main factor defining the press closing time and thus the time the component remains in the tool.

In this research project, the integration of an external cooling device in the process chain has been developed and implemented. The objective was to remove the hot component from the press-hardening tool so that the residual cooling could take place outside the press. The withdrawal of residual heat was to be effected by a spray field of a biphasic spray consisting of a water-air-mixture decreasing the warm component’s temperature to a value that would allow further processing.

The aim was to reduce the holding time in the tool and thus to limit the entire processing time of press hardening in order to make the process more economical.
The research objective has been achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Zusammenfassung
Summary of the Research Project

1.     Einleitung
2.     Stand der Technik
2.1     Presshärten
2.2     Bauteilabkühlung im Werkzeug
2.3     Bauteilabkühlung aus der Formgebungshitze außerhalb  des Werkzeuges mittels Spraykühlung
2.4     Werkstoffverhalten und -modellierung vom 22MnB5
3.     Zielsetzung und Lösungsweg
3.1     Forschungsziel
3.2     Lösungsweg
4.     Bearbeitung des Forschungsprojekts
4.1     Prinzipversuche
4.1.1     Spraycharakterisierung
4.1.2     Spraykühlung von Scheiben
4.2     Numerische Prozessabbildung
4.3     Sprayfeldentwicklung, Umformversuche mit prozessintegrierter Wärmebehandlung
4.3.1     Sprayfeldentwicklung
4.3.2     Aufbau eines Versuchswerkzeuges zum Presshärten
4.3.3     Temperaturaufnahme
4.3.4     Umformversuche mit prozessintegrierter Wärmebehandlung
4.4     Bauteilcharakterisierung
4.4.1     Mechanische Kennwerte
4.4.2     Bauteilmaßhaltigkeit
4.4.3     Metallographische Untersuchungen
4.5     Klimaversuche, Analyse Wasserstoffgehalt
4.6     Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
5.     Ergebnisse
5.1     Im Zusammenhang mit diesem Vorhaben veröffentlichte Arbeiten:
5.2     Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für KMU
6.     Literaturverzeichnis