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EFB-Forschungsbericht Nr. 540

Einsatz lufthärtender Chromstähle zur Herstellung höchstfester dünnwandiger Blechformteile

efb-540

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dr.-Ing. Sven Hübner, Dipl.-Ing. Hendrik Vogt, M. Sc. Kai Wölki, Dipl.-Ing. Chris Pfeffer, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

108 Seiten (sw, 84 teils farbige Abb., 20 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-596-1

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 73,00

Zusammenfassung

Kohlenstoff martensitische Chromstähle stellen im Automobilbereich eine Werkstoffalternative mit hohem Potential hinsichtlich Leichtbau und Crashperformance dar. Im Vergleich zum etablierten Vergütungsstahl 22MnB5 können diese Legierungen nach einer geeigneten Wärmebehandlung bei höheren Festigkeiten gleichzeitig höhere Dehnungen aufweisen.

Dies liegt in dem Gefüge begründet, welches sich aus einer martensitischen Phase mit - in Abhängigkeit der Wärmebehandlungsparameter - unterschiedlichen Anteilen von Restaustenit zusammensetzt. Für eine signifikante Steigerung der Dehnung ist im Vergleich zum konventionell eingesetzten Formhärteverfahren ein Anlassvorgang notwendig. Bisher werden Chromstähle in automobilfernen Branchen bspw. der Schneidwarenindustrie eingesetzt.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes war daher die Betrachtung der Herstellung ultra-höchstfester dünnwandiger Blechformteile mittels des Einsatzes von Kohlenstoff martensitischen Chromstählen.

Zu Beginn des Projekts wurden die beiden Untersuchungswerkstoffe 1.4021 und 1.4034 im Rahmen eines statistischen Versuchsplans hinsichtlich geeigneter Wärmebehandlungsparameter untersucht. Neben den mechanischen Eigenschaften wurde des Weiteren der Einfluss der Wärmebehandlungsparameter mittels des VDA-Wechseltests 233-102 auf die Korrosionsbeständigkeit analysiert. Darüber hinaus wurde die Korrosionsbeständigkeit in Zusammenhang mit dem Restaustenitgehalt gesetzt.

Parallel zu den oben aufgeführten Untersuchungen erfolgte die Analyse des Hartbeschnitts von gehärteten bzw. vergüteten Proben. Neben den auftretenden Schneidkräften stand die Analyse der resultierenden Schnittflächen in Abhängigkeit der Schneidparameter im Fokus der Untersuchungen.

Zudem wurde im Hinblick auf den Einsatz verschiedener Halbzeugblechdicken ein modulares Formhärtewerkzeug konstruiert, gefertigt und in Betrieb genommen. Im weiteren Verlauf des Projektes wurde in mehreren Versuchsreihen die Crashperformance mittels des Drei-Punkt-Biege- und Plättchenbiegeversuchs untersucht. Hierfür wurden neben entsprechend wärmebehandelten Hutprofilen, Bauteile der neu entworfenen Demonstratorgeometrie formgehärtet.

Abschließend wurde die Maßhaltigkeit untersucht und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Einsatz lufthärtender Chromstähle zur Herstellung höchstfester dünnwandiger Blechformteile" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19412N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 540 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Carbon martensitic chromium steels represent a material alternative in the automotive sector with high potential in terms of lightweight construction and crash performance. Compared to the established heat-treatable steel 22MnB5, these alloys can exhibit higher elongation at higher strengths after suitable heat treatment.

This is due to the microstructure, which consists of a martensitic phase and, depending on the heat treatment parameters, different amounts of retained austenite. For a significant increase in elongation, a tempering process is necessary in comparison to the conventionally used hot stamping process.

Up to now, chromium steels have been used in non-automotive sectors such as the cutlery industry. The aim of this research project was therefore to examine the production of ultra-high strength thin-walled sheet metal parts using carbon-martensitic chromium steels.

At the beginning of the project, the two investigated alloys 1.4021 and 1.4034 were exam-ined within the framework of a statistical test plan with regard to suitable heat treatment parameters. In addition to the mechanical properties, the influence of the heat treatment parameters on the corrosion resistance was analysed by means of a corrosion test with respect to VDA guideline 233-102. Furthermore, the corrosion resistance was related to the amount of residual austenite.

Parallel to the above mentioned investigations, the analysis of the shearing of hardened and tempered samples was carried out. In addition to the cutting forces occurring, the analysis of the resulting cut surfaces as a function of the cutting parameters was the focus of the investigations.

In addition, a modular hot stamping tool was designed, manufactured and put into operation with regard to the use of different thicknesses of semi-finished sheet metal. In the further course of the project the crash performance was examined in several test series by means of the three-point bending test. For this purpose, in addition to correspondingly heat-treated hat profiles, components with newly designed demonstrator geometry were shape-hardened.

Finally, the dimensional accuracy of the top-hat profile components was examined and an economic analysis was carried out.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Formhärten
2.2 Werkstoffe beim Formhärten
2.2.1 Mangan-Bor-Stahl
2.2.2 Chromstahl
2.3 Scherschneiden
3 Vorgehensweise und Zielsetzung
4 Ermittlung geeigneter Wärmebehandlungsparameter
4.1 Versuchsmittel
4.1.1 Funkenspektroskop
4.1.2 Versuchsöfen und Temperaturmessung
4.1.3 Versuchspresse und Plattenwerkzeug
4.1.4 Zugprüfmaschine
4.1.5 Klima- und Salzsprühnebelkammer
4.1.6 Röntgendiffraktometer
4.2 Versuchsdurchführung und -ergebnisse
4.2.1 Analyse des Ausgangsmaterials
4.2.2 Mechanische Eigenschaften aus dem Zugversuch
4.2.3 Korrosionsuntersuchungen und Restaustenitmessungen
5 Hartbeschnitt von Dünnblech-Proben und Schnittflächenanalyse
5.1 Versuchsmittel
5.1.1 Versuchspresse
5.1.2 Versuchswerkzeug
5.1.3 Versuchsofen
5.2 Versuchsdurchführung und -auswertung
5.3 Versuchsergebnisse
5.3.1 Schneidkräfte
5.3.2 Lochdurchmesser
5.3.3 Qualität der Schnittflächen
5.4 Fazit
6 Modulares Warmumformwerkzeug für eine Dünnblech-Trägergeometrie
6.1 Vorgehensweise
7 Warmumformung und Analyse von Dünnblech-Trägerbauteilen und Hut-Profilen
7.1 Versuchsmittel
7.1.1 GOM ATOS
7.1.2 Universalprüfmaschine
7.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse
7.2.1 Crashperformance
7.3 Maßhaltigkeit
8 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis