DE10115477A1 - Kraftfahrzeugbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Kraftfahrzeugbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil aus der Gruppe der Lenkradskelette, Lenkradblenden, Generatorträger und Befestigungseinheiten für Generatorträger und Gassackmodule, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Bauteil aus einem Faserwerkstoff mit einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern hergestellt ist. Das Bauteil weist eine hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig niedrigem Gewicht auf. Die Herstellung des Bauteils umfaßt das Einbringen der Fasern in das schmelzflüssige Matrixmetall. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung von Faserwerkstoffen aus einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern zur Herstellung der vorgenannten Bauteile.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, aus der Gruppe der Lenkradskelette, Lenkradblenden, Generatorträger und Befestigungs­ einheiten dafür sowie für Gassackmodule.
Für Kraftfahrzeugbauteile besteht generell die Forderung nach niedrigem Ge­ wicht bei hoher mechanischer Belastbarkeit. Dies betrifft insbesondere Lenk­ radskelette und Lenkradblenden, Generatorträger und Gassackmodule sowie die Befestigungseinheiten für diese Bauteile, die bei einem Fahrzeugunfall sehr hoch belastet werden. Diese Bauteile werden üblicherweise aus Stahl oder Stahlblech hergestellt. Darüber hinaus ist eine Herstellung durch Magnesiumdruckguß oder Aluminiumdruckguß beschrieben worden. Auch eine Kombination der genannten Materialien kann verwendet werden. So sind beispielsweise Lenkradskelette be­ kannt, die aus verzinkten Blechteilen bestehen und eine angegossene Nabe aus einer Magnesiumlegierung aufweisen. Weiterhin sind Lenkradskelette bekannt, bei denen der Lenkradkranz und die Lenkradspeichen aus Rund- bzw. Flachstahl bestehen und eine Nabe aus Aluminiumdruckguß gefertigt ist, in die die Lenkrad­ speichen eingegossen sind.
Die bekannten Generatorträger für die Baugruppen Fahrer-, Beifahrer- und Seiten-Airbag bestehen überwiegend aus Stahlblech. Es sind aber auch Gene­ ratorträger aus Magnesiumdruckguß bekannt. Auch die Befestigungseinheiten der genannten Baugruppen können aus Stahl oder durch Magnesiumdruckguß herge­ stellt werden.
Ein Nachteil der bekannten Kraftfahrzeugbauteile besteht darin, daß die Forde­ rung nach hoher Festigkeit dieser Bauteile bei gleichzeitig niedrigem Gewicht nicht optimal erreicht wird. So kann durch die Verwendung von Stahl als Werk­ stoff eine hohe mechanische Festigkeit dieser Bauteile gewährleistet werden. Die so hergestellten Bauteile sind jedoch zu schwer und entsprechen nicht mehr den Forderungen der Automobilindustrie. Der Einsatz von Magnesium und Alumini­ um als Werkstoff für die genannten Bauteile führt zwar zu einem niedrigeren Ge­ wicht. Jedoch erfüllen die Bauteile dann nicht mehr die ebenfalls gestiegenen Forderungen an die Festigkeit im Falle eines Fahrzeugunfalls.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Bauteile zur Verwendung in den Baugruppen Lenkräder, Fahrer-, Beifahrer- und Seiten-Airbags in Kraft­ fahrzeugen bereitzustellen, die den gestiegenen Anforderungen der Automobilin­ dustrie nach Baueinheiten mit geringem Gewicht bei gleichzeitig hoher mechani­ scher Festigkeit im Falle eines Fahrzeugunfalls genügen.
Die Erfindung stellt hierzu ein Kraftfahrzeugbauteil aus der Gruppe der Lenk­ radskelette, Lenkradblenden, Generatorträger und Befestigungseinheiten dafür sowie für Gassackmodule bereit, die dadurch gekennzeichnet sind, daß das Bau­ teil aus einem Faserwerkstoff mit einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern hergestellt ist.
Die Fasern können aus anorganischen Stoffen oder Metallen bestehen. Unter bestimmten Bedingungen können auch organische Fasern eingesetzt werden. Die Fasern sind vorzugsweise elastisch, damit sie die bei der Verformung auftretenden Kräfte aufnehmen können. Die Fasern können eine gerade Form aufweisen oder davon abweichend in der Ebene in Form einer Sinuswelle oder räumlich als langgezogene Spirale ausgebildet sein, um die Nachgiebigkeit bei einer Krafteinwir­ kung zu erhöhen.
Die Metallmatrix ist vorzugsweise ausgewählt aus der aus Aluminium, Titan, Magnesium und deren Legierungen bestehenden Gruppe. Als anorganische Fasern werden vorzugsweise Siliziumkarbidfasern, Borfasern, Boroxidfasern, Titankar­ bidfasern und Aluminiumoxidfasern verwendet. Besonders bevorzugt sind Silizi­ umkarbidfasern und Aluminiumoxidfasern. Im Falle der Aluminiumoxidfasern sind Korundfasern besonders bevorzugt. Es können jedoch auch andere Kristall­ modifikationen des Aluminiumoxids, beispielsweise γ- oder δ-Al2O3, eingesetzt werden.
Die Verwendung der Faserwerkstoffe mit einer metallischen Matrix und in der Matrix verteilten Fasern führt zu einer deutlichen Erhöhung der Festigkeit des Werkstoffs im Vergleich zu Magnesium- oder Aluminiumlegierungen bei gleich­ zeitig niedrigem Gewicht. Die Faserwerkstoffe sind außerdem hoch belastbar, da die von außen auf den Werkstoff einwirkenden Kräfte in die Fasern eingeleitetet und dadurch besser im Werkstoff verteilt werden. Außerdem weisen Werkstoffe aus Magnesium und Aluminium und deren Legierungen im Vergleich zu Stahl eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf.
Die Fasern können in Anpassung an die geforderten Werkstoffeigenschaften entweder als Kurzfasern oder als Langfasern eingesetzt werden. Als Matrixmetall werden Leichtmetalllegierungen auf der Basis von Aluminium oder Magnesium besonders bevorzugt. Die Fasern können im Matrixmetall eine Vorzugsrichtung aufweisen oder nicht orientiert vorliegen.
Zur Vermeidung nachträglicher Bearbeitungsschritte können in die aus dem Faserwerkstoff hergestellten Bauteile funktionelle Metalleinsätze eingegossen sein, wie beispielsweise eine Lenkradnabe mit Innenverzahnung.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile werden die Fa­ sern in einer vorbestimmten Menge in das schmelzflüssige Matrixmetall einge­ bracht und der so gebildete Faserwerkstoff wird mit den üblichen Formgebungsverfahren weiterverarbeitet. Die Herstellung des Faserwerkstoffs erfolgt vorzugs­ weise durch Schmelzinfiltration. Hierzu werden die anorganischen Fasern in eine dem Bauteil entsprechende Form eingebracht. Die Fasern können dabei schon ein dem späteren Bauteil entsprechendes räumliches Gebilde (Faserskelett) darstellen oder Teile davon bilden, die an vorbestimmten Stellen in der Gußform eingesetzt werden. Die Formstabilität des Faserskelettes wird dabei durch die Verlegung der Fasern selbst erreicht oder durch die Verwendung eines Stabilisators, wie z. B. eines Lacks, etc., der durch die Metallschmelze der Matrix wieder aufgelöst wird. Das Matrixmetall wird danach durch Anlegen eines Vakuums in die Form einge­ saugt, eingegossen oder eingepreßt.
Alternativ dazu kann der Faserwerkstoff auch durch drucklose Schmelzinfil­ tration, d. h. Einrühren der Fasern in das schmelzflüssige Matrixmetall, hergestellt werden. Danach wird der Faserwerkstoff in bekannter Weise in die Bauteilform gegossen oder gespritzt.
Schließlich können die Fasern dem Matrixmetall auch während des Formge­ bungsverfahrens, beispielsweise im Verlauf des Druckgießens, zugemischt wer­ den.
Die Erfindung betrifft somit auch die Verwendung eines Faserwerkstoffs auf der Grundlage einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern zur Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen aus der Gruppe der Lenkradskelette, Lenkradblenden, Generatorträger oder Befestigungseinheiten dafür sowie für Gas­ sackmodule. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Faserwerkstoffen aus Leichtmetalllegierungen auf der Grundlage von Aluminium oder Magnesium und Siliziumkarbid- oder Aluminiumoxidfasern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Lenkradskeletts beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf Lenkradskelette beschränkt, sondern bei allen Kraftfahr­ zeugbauteilen aus der Gruppe der Lenkradskelette, Lenkradblenden, Generator­ träger und Befestigungseinheiten für diese Bauteile sowie Befestigungseinheiten für Gassackmodule anwendbar, die bei einem Fahrzeugunfall hohen mechani­ schen Belastungen ausgesetzt sind.
Ein Lenkradskelett besteht im wesentlichen aus Lenkradnabe, Lenkradspei­ chen und Lenkradkranz. Die Herstellung eines derartigen Skeletts im Druckguß­ verfahren aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen ist grundsätzlich bekannt. Gemäß der Erfindung werden diese Legierungen durch einen Faserwerkstoff auf der Grundlage eines Matrixmetalls und in dem Matrixmetall verteilten Fasern ersetzt. Vorzugsweise ist das Matrixmetall aus der Gruppe bestehend aus Alumi­ nium, Magnesium, Titan und deren Legierungen ausgewählt. Besonders bevorzugt sind Aluminium- oder Magnesiumlegierungen.
Die Fasern sind bevorzugt Kurz- oder Langfasern aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid.
Die genaue Zusammensetzung des Faserwerkstoffs in bezug auf die Art, Form und Länge der Fasern, den Faseranteil und die Art der Metallmatrix ist abhängig von den für den konkreten Anwendungsfall geforderten Eigenschaften des Werk­ stoffs. Für die Anwendung als Lenkradskelett weist der Faserwerkstoff bevorzugt einen Anteil von bis zu 30 Gew.-% der anorganischen Fasern auf, vorzugsweise zwischen 10 und 25 Gew.-%. Die spezifische Anpassung der Werkstoffeigen­ schaften ist durch eine gezielte Auswahl der verwendeten Fasern und der Metall­ legierung möglich.
Durch die Einführung des Faserwerkstoffes sollen für die betrachteten Kraft­ fahrzeugteile in erster Linie die Eigenschaften geringes spezifisches Gewicht, hohe Festigkeit, hohe Bruchdehnung und gute Korrosionsbeständigkeit positiv beeinflußt werden.
Mit der Erfindung werden folgende Werte für die ausgewählten Eigenschaften angestrebt:
spezifisches Gewicht < 2 g/cm3,
Zugfestigkeit Rm < 400 N/mm2
Bruchdehnung A < 15%.
Mögliche Kombinationen der Metallmatrix mit besonders bevorzugten anor­ ganischen Fasern sind nachfolgend in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die wesentlichen physikalischen und me­ chanischen Eigenschaften von besonders bevorzugten Fasern zusammengestellt.
Tabelle 2
Die Herstellung des Lenkradskeletts erfolgt bevorzugt auf dem Wege der be­ kannten Druckgußverfahren für Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Die anorganischen Fasern werden bevorzugt vor dem Druckgußverfahren in die Form für das Lenkradskelett eingebracht. Sie können aber auch während des Druckguß­ verfahrens in das schmelzflüssige Matrixmetall eingemischt werden, wie dies im Prinzip für das Spritzgießen von faserverstärkten Kunststoffen bekannt ist. Schließlich können die anorganischen Fasern vor dem Druckgießen in das schmelzflüssige Matrixmetall eingerührt werden.
Das so hergestellte Lenkradskelett weist ein im Vergleich zu den herkömmli­ chen Lenkradskeletten aus Stahl niedrigeres Gewicht auf. Die Belastbarkeit im Falle eines Fahrzeugunfalls ist im Vergleich zu den bekannten Lenkradskeletten aus Aluminium- oder Magnesiumdruckgußteilen wesentlich erhöht.

Claims (19)

1. Bauteil zur Verwendung in Kraftfahrzeugen aus der Gruppe der Lenk­ radskelette, Lenkradblenden und Generatorträger sowie Befestigungen für Gas­ sackmodule und Generatorträger, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einem Faserwerkstoff mit einer Metallmatrix und in der Metallmatrix verteilten Fasern hergestellt ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix aus der aus Aluminium, Titan, Magnesium und deren Legierungen bestehenden Grup­ pe ausgewählt ist.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern wenigstens teilweise eine gerade Form aufweisen.
4. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern wenigstens teilweise in Form einer ebenen Sinuswelle ausgebildet sind.
5. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern wenigstens teilweise spiralförmig ausgebildet sind.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Langfasern sind.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Kurzfasern sind.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in der Metallmatrix eine Vorzugsrichtung aufweisen.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in der Metallmatrix nicht orientiert sind.
10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus der Gruppe der metallischen, anorganischen und organischen Fa­ sern sowie Kombinationen davon ausgewählt sind.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus der aus Siliziumkarbid-, Bor-, Boroxid-, Titankarbid- und Alumi­ niumoxidfasern oder deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil funktionelle Metalleinsätze aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zur Bildung der Faserwerkstoffe in einer vorbestimmten Menge in das Matrixmetall eingebracht werden, wobei das Ma­ trixmetall in schmelzflüssiger Form vorliegt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in einer vorbestimmten Menge in eine dem Bauteil entsprechenden Form einge­ bracht werden und daß das Matrixmetall danach durch Anlegen eines Vakuums in die Form eingesaugt, eingegossen oder eingepreßt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern als Faserskelett in die Form eingebracht werden, wobei das Faserskelett dem Bauteil ganz oder in vorbestimmten Abschnitten entspricht.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstabi­ lität des Faserskeletts durch das Verlegen der Fasern in der Form oder mittels ei­ nes Stabilisators erreicht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in das schmelzflüssige Matrixmetall eingerührt und anschließend in eine Form für das Bauteil eingebracht werden.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelz­ flüssige Matrixmetall unter Druck in eine Form für das Bauteil eingegossen wird, wobei die anorganischen Fasern während des Gießvorgangs in das schmelzflüssi­ ge Matrixmetall eingemischt werden.
19. Verwendung eines Faserwerkstoffs auf der Grundlage eines Matrixmetalls und darin verteilten Fasern zur Herstellung eines Bauteils gemäß den Ansprüchen 1 bis 12.
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