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Production of areas with reduced strength in press-hardened components by means of a tempering station

Subject Area Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
Term from 2017 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 313453754
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Das Ziel des Forschungsprojekts war die Entwicklung und Umsetzung eines Verfahrens zur Herstellung partiell vergüteter Formhärteplatinen. Um gezielt lokal variierende mechanische Eigenschaften an formgehärteten Bauteilen zu erzeugen, wurde eine dem Ofenprozess nachgeschaltete Temperierungsstation realisiert, bestehend aus einer Kontaktheizplatte und einem Luftabkühlungssystem. Als Blechwerkstoff wurde der vom Anwendungspartner zur Verfügung gestellte borlegierte Vergütungsstahl 22MnB5 mit Aluminium-Silizium Beschichtung verwendet. Zunächst wurden vom Anwendungspartner Anforderungen im Hinblick auf die erforderlichen mechanischen Eigenschaften (Härte, Festigkeit usw.), das Demonstratorbauteil (Hutprofil) sowie die geometrischen Abmaße der abzukühlenden Bereiche (Fügezonen) festgelegt. Daraufhin erfolgte eine numerische Prozessauslegung zur Vorauslegung der Temperierungsstation hinsichtlich der einzustellenden Gefüge (Martensit, Bainit) und die Validierung anhand von Dilatometerversuchen. Es zeigte sich, dass die relative Härteevolution von der numerischen Simulation vorhergesagt werden kann. Jedoch ergaben sich geringfügige Abweichungen zwischen numerisch vorhergesagter und experimentell ermittelter Gefügestruktur. Basierend auf den Erkenntnissen wurden erste grundlegende Konzepte zur partiellen Platinentemperierung erarbeitet und geeignete Abkühlparameter ermittelt. In den ersten Versuchen wurde festgestellt, dass eine Wärmebehandlung der duktilen Zonen ohne thermischen Einfluss auf die restlichen Bereiche nicht möglich war und folglich eine Kontaktheizplatte für die weiteren Untersuchungen eingesetzt werden musste. Die Ergebnisse aus den grundlegenden Versuchen zeigten, dass ein duktileres bainitisches Gefüge mittels Druckluftabkühlung oder einer Waser-Luft-Spraykühlung bei geringen Drücken realisierbar war. Da die alleinige Druckluftabkühlung vorteilhafter ist, wurde für anschließende Versuche diese Art der Abkühlung herangezogen. Im nächsten Schritt wurde ein Luftabkühlungssystem entwickelt, realisiert und in eine Temperierungsstation integriert. Innerhalb der Versuchsreihen zeigte sich, dass eine Änderung des Luftdrucks von 0,1 MPa auf 0,4 MPa einen Abfall der Abkühlendtemperatur von 500 °C auf 330 °C bewirkte, was in einer Steigerung der Dehngrenze von 694 MPa auf 887 MPa resultierte. Die Übergangszonen betrugen dabei etwa 5 mm bis 10 mm. Eine Steigerung des Luftdruckes von 0,1 MPa auf 0,4 MPa verdoppelte den Bereich der Abkühleinflusszone. Eine Reduzierung der Kühldistanz von 20 mm auf 5 mm verursachte eine geringfügige Steigerung der Härte (max. 30 HV5). Bei Verwendung eines Drucks von 0,1 MPa ließen sich duktilere bainitische Bereiche erzeugen, deren Durchmesser annähernd der Größe des Außendurchmessers des Rohres der Abkühlungseinheit (16 mm) entsprach. Die Härte innerhalb dieser duktilen Zonen lag in Bereichen von 260 HV5 und 270 HV5. Nachdem die grundlegenden Parameter ermittelt wurden, war das nächste Ziel die Verkürzung des Wärmebehandlungsprozesses in der Temperierungsstation ohne Beeinflussung der Gefügestruktur und der mechanischen Eigenschaften. Es konnte ein zweistufiger Abkühlprozess erarbeitet werden, bei dem zunächst mit einem Druck von 0,05 MPa für 15 s und einem anschließenden Druck von 0,1 MPa für 10 s abgekühlt wurde. Die Härte konnte dabei auf einem Niveau von 300 HV5 gehalten werden. Infolge einer weiteren Modifizierung der Abkühleinheit (Einsatz von Punktstrahldüsen) der zweistufigen Luftabkühlung konnte die Härte um etwa 40 HV5 und die Größe der Abkühleinflusszone um 30 % verringert werden. Die unterschiedlichen Bauteileigenschaften (Härte, Festigkeit, Gefügeausbildung) der hergestellten formgehärteten Bauteile wurden analysiert und mit den geforderten Zielgrößen von Seiten des Anwendungspartners verglichen. Abschließend kann festgehalten werden, dass bei Integration der Temperierungsstation in eine Formhärteprozesskette gradierte Bauteileigenschaften erzielt werden können, wobei in diesem Forschungsprojekt ein minimaler Härtewert von 260 HV5 in den duktilen Bereichen erreicht werden konnte. Folglich konnte hiermit die Umsetzbarkeit des angestrebten Eigenschaftsprofils belegt werden. Das Forschungsziel, die Entwicklung und Umsetzung einer dem Ofenprozess nachgeschalteten Temperierungsstation zur gezielten Erzeugung von lokal variierenden mechanischen Eigenschaften an formgehärteten Bauteilen, wurde erfolgreich erreicht.

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