Tailored Carburization: Adjusted mechanical Properties in blank plane and blank thickness direction
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde eine Verfahrenskombination aus örtlich begrenzter Aufkohlung von Blechhalbzeugen und nachfolgendem Presshärten untersucht. Das Ziel war hierbei die Erarbeitung und Charakterisierung grundlegender Möglichkeiten zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften. Als Blechwerkstoff wurde ein presshärtbarer Komplexphasenstahl CP-800 verwendet, welcher im Vergleich zum 22MnB5 einen deutlich geringeren Kohlenstoffanteil aufweist. Zu Beginn des Forschungsvorhabens erfolgte eine Analyse der prozessspezifischen Randbedingungen. Hinsichtlich der Prozessführung wurde sowohl das Direkthärten als auch das Einfachhärten untersucht. Darüber hinaus wurden mit Graphitfolie und als Aerosol gelöstes Graphit zwei unterschiedliche Kohlenstoffquellen analysiert. Im Rahmen der durchgeführten Versuche erwiesen sich das Verfahren des Einfachhärtens und die Verwendung von Graphitfolie als besser geeignet. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wurde eine Abhängigkeit der Zugfestigkeit von der Aufkohlungsdauer, -temperatur und Blechdicke ermittelt. Während sich höhere Temperaturen und längere Haltedauern positiv auf die Festigkeit auswirken, resultiert eine größere Blechdicke in geringeren Festigkeitswerten. Das maximal erreichbare Festigkeitsniveau lag dabei in einer vergleichbaren Größenordnung zum pressgehärteten 22MnB5. Durch die Charakterisierung von mit Bor- Nitrid beschichteten Blechen wurde zudem die Möglichkeit der Eigenschaftsgradierung untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich in Abhängigkeit der Prozessparameter ein variabler Festigkeitsgradient einstellt. Darüber hinaus konnten durch Härtemessungen im Querschliff aufgekohlter Proben Rückschlüsse auf die Aufkohlungstiefe gezogen werden. Mit Hilfe der bestimmten Härteprofile erfolgte zudem eine numerische Analyse des Aufkohlungsprozesses. Anhand von empirischen Gleichungen für den Zusammenhang zwischen Härte und Kohlenstoffgehalt und durch Verwendung der Van-Ostrand- Dewey Gleichung konnten analytische Kohlestoffprofile berechnet und mit den experimentellen Daten verglichen werden. Neben der Erarbeitung grundlegender Möglichkeiten zur Einstellung maßgeschneiderter Eigenschaften durch eine örtlich begrenzte Aufkohlung erfolgte zudem eine eingehende Charakterisierung der sich ausbildenden Übergangszonen. Im Vergleich zu anderen Verfahren, wie beispielsweise dem Tailored Tempering, sind die Übergangszonen deutlich kleiner. Die Ausdehnung der Übergänge lag im Rahmen der durchgeführten Versuche in einer Größenordnung kleiner 10 mm. Folglich lassen sich durch das Verfahren der lokalen Aufkohlung selbst kleinste Bereiche hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften geometriegetreu maßschneidern. Dies konnte anhand von gradierten Proben mit aufgekohlten Bereichen von 5 mm und 10 mm Breite nachgewiesen werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen erfolgte eine Analyse der prozessspezifischen Randbedingungen. In diesem Zusammenhang wurde vor allem der Einfluss des Aufkohlungsprozesses auf das Abschreckverhalten untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass sich die Oberflächentopographie durch die Aufkohlung verschlechtert, was im Vergleich zu konventionell pressgehärteten Blechen zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangskoeffizienten führt. Zuletzt wurde die Übertragbarkeit des Prinzips der lokalen Aufkohlung durch Umformung eines Demonstrators untersucht. Die Geometrie entsprach hierbei einem Hutprofil aus dem Tunnelsegment einer miniaturisierten B-Säule. Durch Analyse der Härte im Boden der tiefgezogenen Bauteile konnte eine prinzipielle Übertragbarkeit der bereits ermittelten Zusammenhänge festgestellt werden. Dies betrifft zum einen das allgemeine Härteniveau in den aufgekohlten und nicht aufgekohlten Bereichen und zum anderen die Ausdehnung der Übergangszone.
Publications
- Identification of a process window for tailored carburization of sheet metals in hot stamping. AIP Conference Proceedings 1960:1,1960(2018)1, 16001
Horn, A.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5035038) - Investigation of diffusion behavior of carburized sheet metal in hot stamping. In: Qin, Y.; Dean, T.A.; Lin, J.; Yuan, S. J.; Vollertsen, F (Hrsg.): MATEC Web of Conferences,190, 2018
Horn, A.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1051/matecconf/201819008004) - Investigation of diffusion behavior of carburized sheet metal in hot stamping. Manufacturing Rev. 6(2019)16
Horn, A.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1051/mfreview/2019017) - Investigation of the Quenching Behavior of Carburized Sheet Metal in Hot Stamping. In: Oldenurg, M.; Hardell, J.; Casellas, D. (Hrsg.): Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel - CHS2, Wissenschaftliche Skripten, 2019, S. 275-282
Horn, A.; Merklein, M.
- Functional optimization of hot-stamped components by local carburization. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture 3(2020)1, S. 43-54
Horn, A.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2019.09.002) - Analysis of the Thermomechanical Flow Behavior of Carburized Sheet Metal in Hot Stamping. In: Daehn G., Cao J., Kinsey B., Tekkaya E., Vivek A., Yoshida Y. (eds) Forming the Future. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham. S. 789-800
Horn, A.; Merklein, M.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-030-75381-8_65)
