FOR 552: Principles of Sheet Metal Hot Forming of Quenchenable Steels
Final Report Abstract
Steigende Ansprüche an Sicherheit und Leichtbau aufgrund von Ressourcenverknappung und ökologischen Aspekten führen zu einem Wandel in der Industrie. Dieser Wandel macht es notwendig, durch gezielte Kombination von Stoff-, Fertigungs- und Konzeptleichtbau die maximal mögliche Gewichtseinsparung zu erreichen, bei der die geforderten Eigenschaften der Bauteile erfüllt sind. In Rahmen diverser Studien ergab sich, dass auch mithilfe von Stahl aktiv Leichtbau betrieben werden kann, was auf die Entwicklung höher- und höchstfester Stahlgüten zurückzuführen ist. Speziell innerhalb der Gruppe der höchstfesten Stähle wurden Vergütungsstähle entwickelt, die bei einer kombinierten Warmumformung und Härtung des Werkstoffs durch eine vollmartensitische Gefügeumwandlung über sehr hohe Festigkeiten verfügen. Dieses Verfahren ist das Presshärten. In diesem Fertigungsprozess wird standardmäßig ein Bor-Manganstahl bei Temperaturen zwischen 900 °C und 950 °C austenitisiert und auf diesem Temperaturniveau für eine definierte Dauer homogenisiert. Anschließend wird das Halbzeug in ein formgebendes Werkzeug transferiert, in dem simultan die Umformung und der Abschreckprozess stattfinden, der zu einer martensitischen Gefügeumwandlung führt. Der Prozess des Presshärtens wurde 1973 zum Patent angemeldet. 1984 wurden das erste Mal mit diesem Verfahren hergestellte Bauteile als Seitenaufprallschutz im Saab 9000 verbaut. Gegenwärtig dient es zur Herstellung crashrelevanter Strukturbauteile wie B-Säule, Stoßfänger, Querträger und Seitenaufprallschutz im Automobilbereich. Heutzutage treten dennoch vielfältige Probleme hinsichtlich Bauteilqualität, frühzeitigem Versagen und mechanischer Eigenschaften auf. Dies begründet sich darin, dass die Warmumformung von höchstfesten Vergütungsstählen einen höchst komplexen thermophysikalischen Prozess darstellt. In diesem anspruchsvollen Prozess hängt das Ergebnis von allen Parametern beginnend mit den Prozessparametern bei der Austenitisierung sowie den Kontaktbedingungen und Prozessparametern bei der Umformung ab, aus der die Gefügestruktur und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften des Bauteils resultieren. Eine Trennung der Teilprozesse des Austenitisierens, Umformens und Vergütens sowie eventuelle Folgeprozesse wie Beschnitt können somit nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Aus diesem Grund wurde die ortsverteilte Forschergruppe FOR 552 gebildet, die sich mit den „Grundlagen der Warmblechumformung höchstfester Vergütungsstähle“ beschäftigt. Basierend auf den Ergebnissen der ersten Förderphase wurden die Grundlagenkenntnisse durch weitere Untersuchungen in der zweiten Förderphase vertieft. Die Aufgabenstellung umfasste dabei die Ermittlung und Modellierung von Fließkurven bei hohen Dehnraten und unterschiedlichen Spannungszuständen sowie die Ermittlung der Reibzahl im prozessrelevanten Bereich. Die Bestimmung und Modellierung wurde erfolgreich umgesetzt und erlaubt die Abbildung des Prozesses. Durch die ermittelten Reibzahlen wurde die FE-Modellierung des Prozesses verfeinert und realitätsgetreuer. Ein weiteres Ziel bestand in der Erforschung und Entwicklung methodenplanerischer Richtlinien zur Prozessauslegung, die durch experimentelle und numerische Untersuchung der Wirkzusammenhänge zwischen Prozessparametern und Bauteilqualität erfolgreich abgeschlossen wurde. Neben diesem wurden die Abhängigkeiten des resultierenden Gefüges von Abkühlgeschwindigkeit und vorausgegangener Umformung charakterisiert und bezüglich eines Modellierungsansatzes zur Vorhersage des Gefüges analysiert. Dabei wurden Zusammenhänge, die die mechanischen Eigenschaften beeinflussen, identifiziert und numerisch modelliert, wodurch Anhaltspunkte hinsichtlich der Bauteileigenschaften bereits in der Prozessauslegungsphase möglich sind. Zudem wurde die Möglichkeit des Beschneidens und der Reduktion des Werkzeugverschleißes mittels Hartschneiden und eines eigens entwickelten Schneidprozesses durch ein integriertes Schneidmodul im Warmumformwerkzeug systematisch untersucht. Der Prozess wurde mittels numerischer Simulation nachgebildet und die Grenzen der sinnvollen Anwendung des Halbwarmscheidens durch eine vergleichende Betrachtung zwischen Halbwarm- und Hartschneiden aufgezeigt sowie darauf basierend Empfehlungen für den Serienbetrieb abgeleitet. Außerdem wurde in einem Transferprojekt die Möglichkeit zur Einstellung lokaler mechanischer Eigenschaften bei der Herstellung von Bauteilen im Presshärtprozess eingehend analysiert. Im Rahmen systematischer Untersuchungen wurden hier die Einflüsse der einzelnen Prozessparameter hinsichtlich der Umwandlungskinetik durch Umformung der austenitischen Mikrostruktur aufgezeigt, wie es im Presshärtprozess der Fall ist. Außerdem wurden die Prozessgrenzen zur Einstellung lokaler mechanischer Eigenschaften mittels unterschiedlich temperierter Werkzeugzonen aufgezeigt. Dabei lag ein besonderer Fokus auf dem im Prozess messtechnisch schwer erfassbaren Übergangsbereich zwischen den unterschiedlich temperierten Zonen und den resultierenden mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Basierend auf den Ergebnissen wurde eine Prozessführungsstrategie abgeleitet und ein numerisches Modell des Presshärtens von Bauteilen mit lokal angepassten mechanischen Eigenschaften mittels Werkzeugen mit unterschiedlich temperierten Bereichen erfolgreich aufgebaut, praktisch umgesetzt und validiert.
Publications
- Blanking of press hardened ultra high strength steel. In: 2nd International conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel (CHS2), Lulea, Sweden, 2009, S. 137 - 145
So, H.; Hoffmann, H.; Golle, R.
- Investigations on the thermal behavior of ultra high strength boron manganese steels within hot stamping. In: International Journal of Material Forming, (2009) Paris, S. 259-262
Merklein, M.; Lechler, J.; Stöhr, T.
- A review on hot stamping. Journal of Materials Processing Technology 210(2010)15, S. 2103-2118
Karbasian, H.; Tekkaya, A.E.
- Herstellung von funktionsoptimierten Bauteilen im Presshärtprozess . In: Stahlinstitut VDeH (Hrsg.): Stahl und Eisen, (2010) 6, Düsseldorf, S. 51-57
Merklein, M.; Lechler, J.; Stöhr, T.; Svec, T.
- Maßgeschneidert – Funktionsoptimierte Strukturbauteile im Presshärtprozess. In: J. Winterhagen (Hrsg.): lightweight-design, 5 (2010), Wiesbaden, S. 52-57
Merklein, M.; Svec, T.; Stöhr, T.; Wieland, M.
- Transformation kinetics of the hot stamping steel 22MnB5 in dependency of the applied deformation on the austenitic microstructure. In: Kolleck, R. (Hrsg.): Proc. 50th Conference of IDDRG 2010, (2010)50, Graz: Verlag der technischen Universität Graz, S. 71-80
Merklein, M.; Svec, T.
- FE-Simulation of the heat transfer by defined cooling conditions during the hot stamping process. In: Duflou, J.R.; Clarke, R.; Merklein, M.; Micari, F.; Shirvani, B.; Kellens, K. (Hrsg.): Key Engineering Materials, 473(2011), Switzerland: Trans Tech Publications Ltd., S. 699-706
Svec, T.; Grüner, M.; Merklein, M.
- Tailored Tempering - Heat Transfer and Resulting Properties in Dependency of Tool Temperatures. In: Steinhoff, K.; Oldenburg, M.; Prakash, B. (Hrsg.): 3rd International Conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel, Juni 13.-17., Kassel, Deutschland, Auerbach: Verlag wissenschaftliche Scripten, 2011, S. 21-29
Svec, T.; Merklein, M.
