Press hardening using masks during furnace process for partial austenitization

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing ; Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 310404283

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Das Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung und Umsetzung eines praxistauglichen Maskierungskonzepts für die Herstellung partiell vergüteter Formhärteplatinen. Als Blechwerkstoff wurde, wie vom Anwendungspartner gewünscht, ein 22MnB5 mit einer Aluminium-Silizium Beschichtung eingesetzt. Zunächst wurde im AP 1 im Rahmen von Materialcharakterisierungsversuchen Fließkurven für unterschiedliche Testtemperaturen aufgenommen und anschließend in ein mechanisches Modell überführt. Zur Abbildung der Gefügeentwicklung während der Abkühlphase wurden Abschreckversuche von unterschiedlichen Austenitisierungstemperaturen ausgehend durchgeführt. Die ermittelten Ergebnisse wurden ausgewertet und ein Modell zur Härtebeschreibung parametrisiert. Überdies wurden ZTU-Diagramme ermittelt, mithilfe derer das Umwandlungsverhalten bei vorangegangener partieller Austenitisierung analysiert wurde. Zum Zweck der Betrachtung der Gefügeevolution im Ofenprozess wurden obendrein Erwärmungsversuche durchgeführt und die aufgenommenen Daten in ein Modell zur Beschreibung der Austenitbildung überführt. Im AP 2 bestand das Ziel, Grundlagenuntersuchungen zur technologischen Konzeption der Ofenmaskierung vorzunehmen. Unterschiedliche Materialien (Keramik, Isolierplatten, Edelstahl) wurden hierbei analysiert und entsprechend ihrer Eignung für den Einsatz als Maskierung bewertet. Hierzu wurden optische Analysen sowie 3MA-Messungen (Härteverlauf) durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Keramik aufgrund von Rissen und die Isolierplatten (HT175) infolge einer unvollständigen Diffusion der AlSi-Beschichtung (kein Korrosionsschutz) nicht geeignet sind. Bereits innerhalb dieser Grundlagenuntersuchungen konnten durch das Maskierungskonzept duktile Bereiche mit Härtewerten von etwa 250 HV erzielt werden. Die durchgeführten Versuche dienten zudem als Vergleichsgröße für die Validierung der numerischen Modelle aus AP 1. Hierbei zeigte sich, dass die Temperatur- und Gefügezusammensetzung hinreichend genau mit dem entwickelten Modell vorhergesagt werden konnten. In AP 3 erfolgte die numerische Auslegung der Ofenmaskierung. Anhand von numerischen Simulationen wurde die Blechdicke zur Erfüllung der durch den Industriepartner definierten Anforderungen abgeschätzt. Weiterhin zeigte sich, dass zur Vermeidung variierender Gefügezusammensetzungen aufgrund von unterschiedlichen Temperaturhistorien, das Maskierungssystem immer die gleiche Ausgangstemperatur aufweisen muss. Um dies zu gewährleisten, ist ein Kühlsystem erforderlich. Basierend auf den Erkenntnissen aus der simulationsgestützten Auslegung der Ofenmaskierung wurde ein Maskierungskonzept bestehend aus zwei verschiedenen Einheiten (Greifer und Maskierungsgestell) konstruiert, das im darauffolgenden AP 4 gefertigt worden ist. Eine weitere Besonderheit des Gestells ist der Verteilerblock zur Luftkühlung. Hierdurch können sowohl das Maskierungswerkzeug als auch die Maskierung heruntergekühlt werden. Mit dem Maskierungskonzept wurden auf Basis der Erkenntnisse aus AP 2 weitere Untersuchungen durchgeführt. Das Ziel war die experimentelle Ermittlung geeigneter Dimensionen des Maskierungswerkstoffes durch Variation der Parameter Maskierungsgeometrie und –dicke. Darüber hinaus wurden analog zu AP 2 verschiedene Bauteileigenschaften (Härte, Gefügeausbildung, Oberfläche) der hergestellten formgehärteten Platinen analysiert und mit den geforderten Wunschgrößen von Seiten des Anwendungspartners verglichen. Bei einer Maskierungsdicke von 1 mm konnten Härtewerte in den duktilen Bereichen von etwa 340 HV erzielt werden, wobei ein Mischgefüge erzeugt wurde. Hiermit konnte die Umsetzbarkeit des angestrebten Eigenschaftsprofils mithilfe des entwickelten Maskierungskonzeptes belegt werden. Zusätzlich wurde jedoch auch gezeigt, dass ebenfalls niedrigere Härtewerte mit größeren Maskierungsdicken erreicht werden können. Das Forschungsziel, die Entwicklung und Umsetzung eines Maskierungskonzeptes für die Herstellung partiell vergüteter Stahlbauteile, wurde sowohl experimentell als auch numerisch erfolgreich erreicht.

Publications

• Alternative Processes for Applying Tailored Properties in Hot Stamping, International Conference on Advanced Materials, Mechanics and Manufacturing (A3M’2018)
  Behrens, Bernd-Arno; Moritz, Jörn; Hübner, Sven; Bohne, Florian; Jalanesh, Masood; Seel, Andreas; Pfeffer, Chris
  
• Investigation of masking concepts for influencing the austenitization process during press hardening, 17th International Conference on Metal Forming, 16-19 September 2018, Toyohashi, Japan
  Behrens, B.-A.; Hübner, S.; Chugreev, A.; Bohne, F.; Seel, A.; Jalanesh, M.; Wölki, K.
  
• (2019): Ansätze zur Erzeugung duktiler Bauteilbereiche beim Formhärten, Whitepaper, Verlag Meisenbach GmbH, Bamberg, umformtechnik.net
  Behrens, B.-A.; Nürnberger, F.; Hübner, S.; Jalanesh, M.; Bohne, F.; Wehmeyer, J.; Golovko, O.; Yarcu, S.; Wölki, K.