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EFB-Forschungsbericht Nr. 409

Presshärten von Profilbauteilen mittels überlagerter Innenabkühlung

efb409

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Sc. André Spiekermeier, Dipl.-Ing. Jörn Moritz, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, Dipl.-Ing. Thorsten Gretzki, Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover

84 Seiten (sw, 63 teils farbige Abb., 4 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-455-1

Preis (Digital) EUR 46,32

Preis (Print) EUR 57,90

Zusammenfassung

Eine neue sich stark abzeichnende Tendenz im Automobilbau ist die Warmumformung von Hohlprofilen aus dem presshärtbaren Stahl 22MnB5. Während Profile für Strukturkomponenten wie z. B. Verstrebungen oder Bügel im Cabriobereich vollvergütet werden müssen, ist bei Fahrwerksteilen eine Anlassphase zur Duktilitätssteigerung im Hinblick auf eine ausreichende Dauerfestigkeit unerlässlich. Die konventionelle Prozesskette zur Herstellung von Profilrohren für den Fahrwerksberiech besteht aus einer mehrstufigen Kaltumformung sowie einem anschließenden Erwärmen und Abschrecken mittels Wasserbrause oder in einem Wasserbad und einem nachgelagerten Anlassprozess.

Das Presshärten, das sich für Blechbauteile bewährt hat, kommt hier in der Regel nicht zum Einsatz. Dies hat den Hintergrund, dass die Wärmeabfuhr lediglich an den Profilaußenseiten über den Werkzeugkontakt erfolgt und vergleichsweise große Rohrwanddicken vorliegen. Dementsprechend lassen sich keine ausreichend hohen Abkühlraten für eine vollständige martensitische Härtung realisieren bzw. nur bei unwirtschaftlichen Prozesszeiten. Die kostenintensive Wasseraufbereitung und der zusätzliche Prozessschritt des Anlassens innerhalb dieser Kette sind weitere Hürden für einen wirtschaftlichen Einsatz.

Zu den angestrebten Forschungsergebnissen des vorgestellten Projektes zählte eine optimierte Prozesskette zur Herstellung von vergüteten profilförmigen Fahrwerksteilen und Untersuchungen zur gezielten Einstellung der mechanischen Bauteileigenschaften. Dies sollte mittels Einsatz einer Innenabkühlung auf der Basis einer Wasser-Luft-Spraykühlung während bzw. im Anschluss an die Umformung eines austenitisierten Rundprofils realisiert werden.

Durch die geeignete Wahl der Prozessparameter erfolgte sowohl ein rasches Abkühlen durch ein Sprayfeld im Profilinneren als auch ein Abschrecken von außen über Werkzeugkontakt direkt im Umformwerkzeug. Dabei wurde unter anderem zunächst die Randschicht martensitisch gehärtet und der Abkühlvorgang unterbrochen, so dass Wärme aus dem Bauteilinneren die Randschicht prozessintegriert vergütet. Das Anlassen aus der Eigenwärme konnte so genutzt werden, um duktile Bauteileigenschaften zu erzeugen und einen gesonderten Anlassprozess einzusparen. Dadurch sollten sowohl signifikant Kosten als auch Zeit eingespart und der Prozess ökonomischer gestaltet werden.

Die in diesem Forschungsprojekt untersuchte optimierte Prozessroute erlaubt es, auf den gesonderten Anlassprozess zu verzichten. Das betrachtete Demonstratorbauteil konnte alle geforderten Bauteileigenschaften erfüllen. Des Weiteren konnte die Ausbringungsmenge der Presse mit Hilfe der Innenkühlung gesteigert werden.
Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Presshärten von Profilbauteilen mittels überlagerter Innenabkühlung“ wurde unter der Fördernummer AiF 17533N 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 409 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

A strong trend in the automotive industry is the hot forming of hollow sections from the heat treatable steel 22MnB5. Profiles for structural components such as, for example, struts have to be heat treated completely, whereas parts used in chassis have to be tempered in order to ensure a sufficient ductility and fatigue strength.

The conventional process chain consists of a multi-step cold forming as well as a final heating and quenching in a water spray or a water bath followed by an additional temper process. Press hardening, which has proved itself for sheet components, is not usually employed here since either insufficient cooling is available for complete martensitic hardening due to the simple, one-sided cooling by tool contact and large wall-thickness or due to the uneconomic process time. Water reprocessing and tempering processes within this chain are further impediments for long-term economic applications.

Therefore, an optimized process chain and improved component properties were envisaged research results. For this purpose, interior cooling based on a water-air spray cooling was employed during the forming of an austenitised round profile.

By means of specifically selecting the process parameters, both a rapid cooling using a spray field on the profile's interior as well as an exterior quenching via tool contact takes place directly in the press tool. In this way, the surfaces, among other things, are to be initially hardened martensitically and the cooling process is to be interrupted so that the residual heat from the component's interior heat-treats the surface as an integral step of the process. Tempering from the residual heat is utilised in order to produce ductile component properties and thereby to economise the conventional tempering process. In this way, both the costs as well as the time can be reduced.

The investigations on the optimized process allow the abdication of the separate tempering process. The considered demonstrator could meet all the required component properties. Furthermore, the yield quantity of the press could be increased by using the internal cooling.
The research objective has been achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
Zusammenfassung
1    Anlass für das Forschungsvorhaben
2    Stand der Technik
2.1    Presshärten
2.1.1    Direktes und indirektes Presshärten
2.1.2    Werkstoff 22MnB5
2.2    Spraykühlung
2.3    Anlassen von Vergütungsstählen
2.4    Vergüten von Rohrprofilen
2.5    Wasserstoffversprödung
3    Zielsetzung und Vorgehensweise
4    Bearbeitung des Forschungsprojektes
4.1    Demonstratorbauteil und Umformwerkzeug
4.1.1    Entwicklung einer Sprayeinrichtung
4.1.2    Temperaturerfassung
4.2    Umformversuche
4.3    Bauteilcharakterisierung
4.3.1    Maßhaltigkeit der Rohrprofile
4.3.2    Untersuchungen zur partiellen Vergütung
4.3.3    Zugversuche
4.3.4    Härtemessungen
4.3.5    Metallographische Analyse
4.3.6    Drei-Punkt-Biegeversuche
4.3.7    Analyse der Wasserstoffaufnahme
4.4    Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
5    Ergebnisse
5.1    Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
6    Anwendungsrichtlinie zum Spraykühlsystem
6.1    Aufbau des Kühlsystems
6.2    Dimensionierung und Einstellung
6.3    Positionierung, Steuerung und Ablauf
7    Literatur
7.1    Normen, Richtlinien und Patente