Material characterisation as a basis for material modelling for heat treatment during roll forming

Abstract

Roll forming enables the production of profile-shaped components, e.g. for the automotive industry. By integration of heat treatment into the continuous manufacturing process, an alternative to roll forming of full martensitic steels has been developed which enables both the production of fully hardened profile components and locally hardened areas in longitudinal and transverse direction of the parts. On the one hand, process integration leads to a shorter process time, to the reduction of production costs and to an improvement in component quality. On the other hand, due to the high process speed during roll forming, heat treatment has to be achieved in a very short time, thus representing a technological challenge.

In order to design the process and predict the final mechanical component properties (hardness, microstructure, etc.), it is necessary to integrate the precipitation, recrystallization and grain growth processes associated with the high heating rates in a material model. In fundamental investigations for the development of the material model, cold preformed strips of 22MnB5 were heated under different heating conditions – conventional in the furnace and inductive at different heating rates – and then quenched in water. The initiation of recrystallization and grain growth processes as a function of the heating rate could be detected. Based on this, a reaction kinetic model was developed to describe the influence of static recrystallization on the mechanical properties.

Abstract

Das Walzprofilieren ermöglicht die Herstellung profilförmiger Bauteile bspw. für die Fahrzeugindustrie. Durch die Integration einer Wärmebehandlung in den kontinuierlichen Fertigungsprozess wurde eine Alternative zum Profilieren von voll martensitischen Stählen erarbeitet, die sowohl die Herstellung von durchgängig gehärteten Profilbauteilen als auch von lokal gehärteten Bauteilbereichen in Längs- und Querrichtung ermöglicht. Die Verfahrensintegration bewirkt einerseits eine Verkürzung der Prozesszeit, eine Reduzierung der Produktionskosten und führt zu einer Verbesserung der Bauteilqualität. Andererseits ist die Wärmebehandlung aufgrund der hohen Prozessgeschwindigkeit beim Walzprofilieren in einer sehr kurzen Zeitspanne zu realisieren und stellt damit eine technologische Herausforderung dar. Um den Prozess auszulegen und die finalen mechanischen Bauteileigenschaften (Härte, Gefüge etc.) vorhersagen zu können ist es erforderlich, die mit den schnellen Aufheizgeschwindigkeiten verbundenen Auflösungs-, Rekristallisations- sowie Kornwachstumsvorgänge in einem Werkstoffmodell zusammenzuführen. Für grundlegende Untersuchungen zur Ableitung des Werkstoffmodells wurden kalt vorgeformte Streifen aus 22MnB5 unter unterschiedlichen Aufheizbedingungen – konventionell im Ofen und induktiv bei unterschiedlichen Aufheizraten – erwärmt und anschließend im Wasser abgeschreckt. Dabei ließen sich Kornwachstumsprozesse in Abhängigkeit von der Aufheizgeschwindigkeit nachweisen. Darauf basierend ist ein reaktionskinetisches Modell zur Beschreibung des Einflusses der statischen Rekristallisation auf die mechanischen Eigenschaften entstanden.