Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und Härten von Stahlwerkstoffen.

Gehärtete Stahlbauteile haben insbesondere im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass durch ihre herausragenden mechanischen Eigenschaften eine Möglichkeit besteht, eine besonders stabile Fahrgastzelle zu erstellen, ohne dass Bauteile verwendet werden müssen, die bei normalen Festigkeiten viel massiver und dadurch schwerer ausgebildet werden.

Zur Erzeugung derartiger gehärteter Stahlbauteile werden Stahlsorten, die durch eine Abschreckhärtung härtbar sind, verwendet. Derartige Stahlsorten sind zum Beispiel borlegierte Manganborstähle, wobei der am weitesten eingesetzte, hier der 22MnB5 ist. Aber auch andere borlegierte Mangankohlenstoffstähle werden hierfür verwendet.

Um die aus diesen Stahlsorten gehärtete Bauteile zu erzeugen, muss das Stahlmaterial auf die Austenitisierungstemperatur (>Ac₃) erhitzt werden und abgewartet werden, bis der Stahlwerkstoff austenitisiert ist. Je nach gewünschtem Härtegrad können hier Teil- oder Vollaustenitisierungen erzielt werden.

Wird ein solches Stahlmaterial nach der Austenitisierung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt, wandelt die austenitische Struktur in eine martensitische, sehr harte Struktur um. Auf diese Weise sind Zugfestigkeiten R_m bis über 1500 MPa erzielbar.

Zur Erzeugung der Stahlbauteile sind derzeit zwei Verfahrenswege üblich.

Beim sogenannten Formhärten wird eine Stahlblechplatine aus einem Stahlband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt und anschließend in einem üblichen, beispielsweise fünfstufigen Tiefziehprozess zum fertigen Bauteil tiefgezogen. Dieses fertige Bauteil wird hierbei etwas kleiner dimensioniert, um eine nachfolgende Wärmedehnung beim Austenitisieren zu kompensieren.

Das so erzeugte Bauteil wird anschließend austenitisiert und dann in ein Formhärtewerkzeug eingelegt, in dem es gepresst, aber nicht oder nur sehr gering umgeformt wird und durch die Pressung die Wärme aus dem Bauteil in das Presswerkzeug fließt, und zwar mit der über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit.

Der weitere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten, bei dem eine Platine aus einem Stahlblechband abgetrennt bsp. ausgeschnitten oder gestanzt wird, anschließend die Platine austenitisiert wird und die heiße Platine bei einer Temperatur unter 782°C in einem vorzugsweise einstufigen Schritt umgeformt und gleichzeitig mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt wird.

In beiden Fällen können mit metallischen Korrosionsschutzschichten z.B. mit Zink oder einer Legierung auf Basis von Zink versehene Platinen verwendet werden. Das Formhärten wird auch als indirekter Prozess bezeichnet und das Presshärten als direkter Prozess. Der Vorteil des indirekten Prozesses ist, dass aufwändigere Werkstücksgeometrien realisierbar sind.

Der Vorteil des direkten Prozesses ist, dass ein höherer Materialnutzungsgrad erreicht werden kann. Jedoch ist die erreichbare Bauteilkomplexität vor allem beim einstufigen Umformprozess geringer.

Zudem ist es bekannt, Stahlblechbauteile dadurch zu formen, dass ein Hohlraum gebildet wird und dieser Hohlraum mit einem unter Druck stehenden Medium zu einer gewünschten Form bzw. in eine Form eingeblasen bzw. aufgeblasen wird, um eine endgültige Form zu erzielen. Dieses Verfahren wird auch als Innenhochdruckumformung bezeichnet.

Aus der DE 10 2009 040 935 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen bekannt, wobei wenigstens zwei Einzelteile zu einem Halbzeug verlötet oder verschweißt werden und anschließend das Halbzeug warmumgeformt wird, wobei ein Hohlraum des Halbzeugs geschlossen ist oder geschlossen wird und dass das auf die Austenitisierungstemperatur erwärmte Halbzeug mittels eines in den Hohlraum eingelassenen, unter Druck stehenden Mediums gegen die Innenwände eines Formwerkzeugs expandiert wird. Die erforderliche Abschreckung zum Zwecke der Erhärtung soll mittels eines Abkühlmediums erfolgen, wobei das zum Abschrecken verwendete Abkühlmedium durch den Hohlraum des Halbzeugs hindurchführbar ist.

Aus der EP 1 015 645 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen abgeschrägter dünnwandiger hohler Metallgehäuse durch Blasformen bekannt, wobei auch hier vorzugsweise über die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird und die Hohlstruktur gegen die inneren Wände des Werkzeugs durch das Einführen eines erhitzten, unter Druck gesetzten Mediums in das Innere des Hohlraums des hohlen Gehäuses expandiert wird, wobei in einem nachfolgenden Schritt das geformte hohle Gehäuse rasch in einem Vorgang abgekühlt wird, um eine Härtung herbeizuführen. Hierbei wird das dominierende erwärmte Medien in dem hohlen Gehäuse durch ein unter Druck gesetztes kühlendes Medium ersetzt.

Aus der DE 10 2004 054 795 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen, sowie Karosseriebauteilen, bekannt, wobei ein Materialverbund aus zwei miteinander verbundenen Blechen mindestens einem Umformvorgang unterworfen wird, wobei der Materialverbund warmumgeformt und zumindest ein härtbares vorlegiertes Blech bei geschlossenen Formwerkzeughälften einer in-situ-Presshärtung unterzogen wird.

Aus der DE 10 2006 020 623 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus sogenannten Talered Blanks bekannt, bei dem bei dem Verfahren das Halbzeug in einem Umformwerkzeug eingelegt wird und das Halbzeug aus zumindest zwei, zumindest teilweise übereinander liegenden Blechen besteht und wobei eine härtbare Stahllegierung für ein Blech des Halbzeugs verwendet wird und das Halbzeug in einer Erwärmungsstation auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur der Legierung erwärmt wird, wobei die Bleche vor dem Einlegen in die Presse oder in der Presse durch ein Schmieden miteinander fest verbunden werden.

Aus der DE 10 2007 018 395 B4 ist ein Innenhochdruckumformverfahren bekannt, bei dem eine Hohlstruktur aus härtbaren Stahlblechen durch ein Gas unter Druck, welches in den Innenraum zwischen den Blechen strömt, expandiert wird, wobei das Werkstück sich in einem gekühlten Umformwerkzeug befindet und das Werkstück in einem Zug durch den Druck des Gases umgeformt und durch die Temperatur dieses Gases von innen und die Temperatur des Umformwerkzeuges von außen in demselben Werkzeug umgeformt und gehärtet wird, wobei der Gasdruck im Werkstück durch Relativbewegung eines Pressenoberteils und Fließrichtung des Umformwerkzeugs erzeugt wird und durch einen Druckübersetzer verstärkt wird.

Aus der DE 10 2007 043 154 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Profilen bekannt. Dieses Verfahren ist insbesondere für offene Profile ausgebildet, wobei das Bauteil zumindest Teilbereichsweise auf einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Grundwerkstoffs aufgeheizt wird und das Bauteil nach dem Aufheizen mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, wobei die für die Erwärmung notwendige Energie zumindest teilweise durch Induktion eingebracht wird, wobei in den Bauteil zur Einstellung eines Temperatur- und/oder Härtegradienten über den Querschnitt des Bauteils freie Kanten angeordnet werden, wobei Größe, Art und Ausdehnung der Kanten auf einen gewünschten Härtegrad und/oder Härtegradienten abgestimmt angeordnet werden. Diese Kanten haben den Effekt, dass es an Kanten bei induktiver Erwärmung zu einer Erhöhung der Stromflussdichte kommt, sodass in diesen Bereichen die Erwärmung gezielt sehr schnell durchgeführt werden kann, zumindest schneller als in ebenen Bereichen.

Aus der DE 698 035 88 T2 ist ein Verfahren zum Herstellen von abgeschrägten hohlen Gehäusen aus Stahlmaterial durch Blasformen bekannt, wobei ein vorgewärmter hohler Gehäuseblock vorzugsweise über der Austenitisierungstemperatur in ein Blasformwerkzeug eingeführt wird und geformt wird, indem er gegen die inneren Wände des Werkzeugs durch das Eindrücken eines erhitzten unter Druck gesetzten Mediums in das Innere des Hohlraums des hohlen Gehäuses expandiert wird, wobei das hohle Gehäuse in einem nachfolgenden Schritt rasch in einem Vorgang abgekühlt wird, der für das Abschrecken des Stahlmaterials geeignet ist, indem das vorhandene erwärmte Medium in dem hohlen Gehäuse durch ein unter Druck gesetztes kühlendes Medium ersetzt wird und indem ein kühlendes Medium durch das Formwerkzeug geführt wird, umso ein Kühlen zu bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Umformen und Härten von verzinkten Stahlrohren zu schaffen, mit dem zuverlässig und rissfrei gehärtete Stahlrohre hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bislang galten verzinkte Rohre als nicht mit Innenhochdruckumformverfahren mikrorissfrei umformbar und härtbar. Werden derartige verzinkte Rohre bzw. Rohrbauteile innen hochdruckumgeformt, ergeben sich immer Mikrorisse in sehr großem Ausmaß, so dass im Gegensatz zu anderen Formgebungsverfahren das Presshärteverfahren bzw. Formhärteverfahren für Rohrbauteile nicht anwendbar war.

Die Erfinder haben erkannt, dass die mikrorissfreie Umformung von Rohrbauteilen dann gelingt, wenn man eine spezielle Temperatur und Verfahrensführung durchführt.

Erfindungsgemäß werden derartige Rohrbauteile vorgefertigt und analog des bekannten Innenhochdruckumformverfahrens vorgebogen, vorgequetscht oder in sonstiger Weise vorgeformt.

Anschließend werden diese Rohre austenitisiert, was bedeutet, dass die auf eine Temperatur oberhalb AC₃ gebracht werden und dort solange gehalten werden, bis ein gewünschter Austenitisierungsgrad erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird anschließend das Rohr auf Temperaturen zwischen 400-650°C passiv abkühlen gelassen oder zwangsweise aktiv abgekühlt.

Diese Abkühlung kann dadurch erfolgen, dass das Bauteil in das Innenhochdruckumformwerkzeug überführt wird und dabei an Luft passiv abkühlt oder gegebenenfalls das Werkzeug nach dem Austenitisierungsofen beispielsweise durch Anblasen oder Ansprühen mit geeigneten Kühlmedien aktiv abgekühlt und dann in das Innenhochdruckumformwerkzeug überführt wird.

Eine derartige aktive Kühlung erfolgt mit > 5 K/sek bevorzugt > 10 K/sek besonders bevorzugt > 20 K/sek Abkühlgeschwindigkeit.

Anschließend wird das Rohr endumgeformt, wobei ein unter Druck stehendes Medium in das Rohr eingedrückt wird, so dass eine an sich bekannte Innenhochdruckumformung erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird jedoch diese Umformung mit einem temperierten Medium durchgeführt. Hierbei hat das Medium beispielsweise eine Temperatur von 400-650°C. Erfindungsgemäße hat sich nämlich herausgestellt, dass bei der Verwendung eines zu kalten Mediums, Teile des Rohres bereits einer Härtung unterzogen werden bevor die Endumformung stattgefunden hat. Dies bedeutet, dass eine vollständige Ausformung verhindert wird. Somit findet die Umformung mit einem temperiertem Medium statt, wobei das temperierte Medium vorzugsweise eine Temperatur besitzt, die der Temperatur des umzuformenden Rohres entspricht und zumindest so hoch ist, dass die Martensit-Starttemperatur (Ms) der verwendeten Stahllegierung überschritten ist.

Anschließend erfolgt erfindungsgemäß die Härtung, wobei die erfindungsgemäße Härtung unterschiedlich durchgeführt werden kann.

Bei einer ersten erfindungsgemäßen Variante erfolgt die Innenhochdruckumformung in einem warmen Werkzeug mit dem warmen unter Druck stehenden Umformmedium. Anschließend wird das so umgeformte Bauteil aus dem Werkzeug entnommen und passiv an Luft abkühlen gelassen, wenn die Abkühlung an Luft ausreicht, die kritische Abkühlgeschwindigkeit des Stahlmaterials zu erreichen, so dass eine martensitische Härtung sichergestellt ist.

Diese passive Abkühlung ist vor allem Blechdickenabhängig bei dünneren Blechstärken von in etwa 1 mm kann eine passive Abkühlung an Luft ausreichend sein um die kritische Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen.

Bei einer Blechdicke von beispielsweise 3 mm kann eine aktive Abkühlung durch geeignete Kühlmedien erforderlich sein um diese Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen.

Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Variante wird wiederum im warmen Werkzeug mit dem warmen unter Druck stehenden Medium umgeformt und anschließend das Rohr in ein kaltes Formhärtewerkzeug überführt. In diesem kalten Formhärtewerkzeug entspricht der Werkzeughohlraum von der Kontur her exakt der Außenkontur des Rohres, so dass beim Schließen des Werkzeuges das Werkzeug allseitig an dem Rohr vollflächig anliegt und hierdurch eine Abschreckhärtung erzielt wird. "Kalt" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Martensit-Starttemperatur des gewählten Stahlmaterials um mindestens 50 °C unterschritten wird, also Ms - 50°C.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, erfolgt die Umformung im warmen Werkzeug unter Zuhilfenahme des unter Druck stehenden erwärmten Umformmediums, wobei jedoch nach erfolgter Umformung ein kaltes Medium durch das Rohr geleitet wird, so dass die martensitische Härtung durch Überschreiten der kritischen Abschreckgeschwindigkeit durch die Kühlung mit dem kalten Medium erzielt wird. Hierbei ist es technologisch möglich, den Innenhochdruckumformvorgang mit einem unter Druck stehenden, warmen gasförmigen Medium durchzuführen und den Abschreckvorgang mit einem kalten gasförmigen Medium, jedoch auch mit einem flüssigen, kalten Medium. Auch hier beträgt die Temperatur des kalten Mediums bevorzugt die Martensit-Starttemperatur des Materials, also Ms - 50°C.

Die Rohre haben hierzu generell einen Zu- und einen Ablauf.

Unter Rohren im Sinne der Erfindung werden nicht nur zylindrische Rohre verstanden, sondern jede Form von langgestreckten Hohlkörpern aus Stahlblech, insbesondere Strukturbauteile, Längsträger, Verstärkungen, Schweller und dergleichen Strukturbauteile, insbesondere von Kraftfahrzeugen.

Erfindungsgemäß wird ein Werkstoff verwendet, der wie die Werkstoffe des Standes der Technik härtbar ist und insbesondere ein härtbarer Bor-Mangan-Stahl wie z.B. ein Stahlwerkstoff des Typs 22MnB5 oder 20MnB8 oder vergleichbar.

Derartige Stahlbleche können mit einer Zinkschicht, einer Zinklegierungsschicht und insbesondere einer Zinkeisenschicht versehen sein.

Insbesondere wird eine so genannte Galvannealed-Beschichtung bevorzugt, d.h., eine durch Tempern vorreagierte Zinkbeschichtung auf einem Stahlblech, die aus Zink-Eisen-Phasen besteht und auch gegen das Einblasen von einem Druckmedium beständig ist.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Die einzige Figur zeigt den Verfahrensablauf mit den beiden Verfahrensvarianten.

Ein austenitisiertes Rohr 1 1 wird hierbei in eine Form 2 eingelegt, wobei das Rohr 1 beispielsweise aus zwei Blechen 3 zusammengesetzt ist, wobei die Bleche im Bereich einer Gaszuführung und -abführung zu einem durch die Bleche gebildeten Hohlraum 4 je einen entsprechenden Zugang 5 besitzt. Nachdem temperiertes Gas, beispielsweise auf 400-650°C temperiertes Gas in den Hohlraum 4 eingefüllt ist, expandiert das Rohr 1 in die Form 2, so dass der vollständig vorgeformte Rohling erzeugt wird. Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass es gelingt, rohrartige Bauteile aus einem härtbaren Stahl mit Zinkbeschichtung zuverlässig mikrorissfrei zu erzeugen.