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Die
Erfindung betrifft ein Verbundblech aus Stahl oder einer Stahllegierung,
welches für
eine Umformung im warmen oder halbwarmen Zustand vorgesehen ist,
wobei das Verbundblech mindestens einen verstärkten Bereich mit einer Sandwichstruktur aufweist,
die Sandwichstruktur zumindest ein Grundblech, eine Zwischenschicht
und ein Deckblech umfasst, wobei die Zwischenschicht einen Abstandshalter
zwischen Deckblech und Grundblech bildet und einen Werkstoff umfasst,
welcher bei den vorgesehenen Temperaturen während einer Umformung im warmen
oder halbwarmen Zustand seine Festigkeit im Wesentlichen nicht ändert. Daneben
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundblechs
sowie ein aus dem Verbundblech hergestelltes Bauteil.
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Aufgrund
zunehmender Anforderungen an die Festigkeit und/oder Steifigkeit
an beispielsweise Strukturbauteile im Kraftfahrzeugbau werden häufig Verbundbleche
mit Sandwichstrukturen eingesetzt, da diese bei verringertem Gewicht
eine Erhöhung
der Festigkeit und/oder Steifigkeit gegenüber Bauteilen aus Vollmaterial
ermöglichen.
Durch die erhöhten Festigkeits-
und/oder Steifigkeitswerte weist ein entsprechendes Verbundblech
zudem ein hohes Energieabsorptionsvermögen auf, das im Falle einer
Deformation, beispielsweise bei einem Unfall, wichtig ist. Beispielsweise
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 36 433 ein lokal
verstärktes
Verbundblech aus Stahl oder einer Stahllegierung bekannt, dessen
Sandwichstruktur eine Zwischenschicht aus einem Glaskörper oder
einer Glasfasermatte aufweist. Der Glaskörper dient zur Reduzierung
der Dichte und damit des Gewichts des Verbundblechs gegenüber entsprechend
geformten Blechen aus Vollmaterial. Um eine kraftarme, reproduzierbare
Warmumformung im Bereich der Sandwichstruktur des bekannten Blechs
zu erzielen, wird einerseits, wenn die Zwischenschicht aus einem
Glaskörper
gebildet ist, in der Zwischenschicht ein Material verwendet, dass
bei den Warmumformschritten in duktilem Zustand vorliegt, d.h. das
unter Einfluss äußerer Kräfte während der
Umformung sich die Zwischenschicht plastisch und damit dauerhaft
verformt. Andererseits ist aus der genannten Offenlegungsschrift
die Verwendung temperaturstabiler Glasfasermatten bekannt, die aufgrund
ihres faserartigen Aufbaus während
der Umformung verformbar bleiben.
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Problematisch
bei diesen Verbundblechen ist, dass insbesondere bei einer Umformung,
beispielsweise einem Tiefziehen im warmen oder halbwarmen Zustand,
aufgrund der Duktilität
bzw. Verformbarkeit der Zwischenschicht sich die Dicke der Sandwichstruktur
während
des Umformens verändern
kann. Die Maßhaltigkeit
im Bereich der Sandwichstruktur der bisher bekannten Verbundbleche
ist daher verbesserungswürdig.
Da die mechanischen Eigenschaften des Verbundblechs insbesondere auch
von dem Aufbau und damit von den Abständen der Bleche in der Sandwichstruktur
abhängig
sind, variieren mit der verringerten Maßhaltigkeit des bekannten Verbundblechs
auch dessen mechanischen Eigenschaften entsprechend. Beispielsweise
kann die Steifigkeit und/oder das Energieabsorptionsvermögen durch
die Toleranzen reduziert werden. Darüber hinaus gestaltet sich das Herstellverfahren,
insbesondere die Fixierung der Glaskörper oder der Glasfasermatten,
als schwierig.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verbundblech aus Stahl oder einer Stahllegierung zur Verfügung zu stellen,
welches bei sehr guter Festigkeit und/oder Steifigkeit gleichzeitig
eine hohe Maßgenauigkeit
hinsichtlich der Ausbildung der Sandwichstruktur gewährleistet
und leichter hergestellt werden kann. Darüber hinaus liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundblechs
sowie eine vorteilhafte Verwendung des Verbundblechs vorzuschlagen.
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Gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe für
ein gattungsgemäßes Verbundblech
dadurch gelöst, dass
im Bereich der Sandwichstruktur des Verbundblechs an die vorgesehenen
Temperaturen während einer
Umformung im warmen oder halbwarmen Zustand angepasste Verbindungsmittel
zum Verbinden der Zwischenschicht mit dem Grundblech und/oder dem
Deckblech vorgesehen sind.
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Unter
an die Temperaturen während
einer Umformung im warmen oder halbwarmen Zustand angepasster Verbindungsmittel
werden vorliegend Verbindungsmittel verstanden, welche bei den entsprechenden
Temperaturen, d.h. beispielsweise bei 650 °C während einer Halbwarmumformung
oder etwa 750 °C
bis 956°C
während
einer Warmumformung in duktiler Form vorliegen und eine Fixierung der
als Abstandshalter dienenden Zwischenschicht ermöglichen, welche auch während einer
Umformung im warmen oder halbwarmen Zustand erhalten bleibt. Die
Verbindung zwischen Zwischenschicht, Grund- und/oder Deckblech wird durch
die Verbindungsmittel ausgebildet. Als Materialien für die Zwischenschicht
kommen je nach vorgesehener Umformtemperatur Werkstoffe in Frage,
welche beispielsweise bis zu Temperaturen von 550 °C bis 950 °C nahezu
konstante Festigkeiten aufweisen. Als Festigkeit ist vorliegend
die Eigenschaft des Materials gemeint, einer von außen einwirkenden
Kraft entgegenzuwirken. Durch die Kombination von duktilen Verbindungsmitteln
mit bei den Umformtemperaturen nicht duktilen ihre Festigkeit beibehaltenden
Werkstoffen der Zwischenschicht werden die bei der Umformung auf
die Zwischenschicht einwirkenden Kräfte an das Deck- bzw. Grundblech
weitergeleitet, ohne dass es zu einer plastischen Verformung der
Zwischenschicht und damit zu einer Änderung der Dicke der Sandwichstruktur
des Verbundblechs kommt. Daraus resultiert, dass die abstandshaltende
Funktion der Zwischenschicht während
der Umformung voll erhalten bleibt und eine hohe Maßgenauigkeit
im Bereich der Sandwichstruktur erreicht wird. Über die Verbindungsmittel kann
eine Zwischenschicht auch leicht auf dem Grundblech oder dem Deckblech
fixiert bzw. mit dieser verbunden werden, so dass das Herstellen
von Verbundblechen, welche im warmen oder halbwarmen Zustand umgeformt
werden sollen, wesentlich erleichtert wird.
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Vorzugsweise
sind als Verbindungsmittel an die Temperaturen während einer Umformung im warmen
oder halbwarmen Zustand angepasste Lote, insbesondere Lötfolien
oder Lötpasten
vorgesehen. Die Lote, Lötfolien
oder Lötpasten
werden so ausgewählt,
dass die Fixierung zwischen Zwischenschicht und dem Grundblech und/oder
dem Deckblech auch während
der Warmumformung bzw. Halbwarmumformung im Wesentlichen erhalten
bleibt. Insbesondere Lötfolien
ermöglichen
eine besonders einfache Verarbeitung und gewährleisten einheitlich dicke
Lotschichten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundblechs
besteht die Zwischenschicht aus einem an die Temperaturen während einer
Umformung im warmen oder halbwarmen Zustand angepassten metallischen,
gläsernen und/oder
keramischen Werkstoff. Metallische Werkstoffe kommen dann für die Zwischenschicht
in Frage, wenn beispielsweise eine Halbwarmumformung vorgesehen
ist. Aber auch hochtemperaturfeste Stähle, die bis zur Warmumformungstemperatur
eine nahezu konstante Festigkeit aufweisen, können verwendet werden. Keramische
Werkstoffe eignen sich für
höchste
Warmumformtemperaturen, während
gläserne
Werkstoffe für
die Zwischenschicht abhängig von
deren Temperaturbeständigkeit
und dem jeweils ausgewählten
Umformverfahren bzw. -temperaturen verwendbar sind.
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Ist
gemäß einer
besonders einfachen Ausführungsform
als metallische Zwischenschicht eine metallische Struktur, insbesondere
ein Streckmetall vorgesehen, so können auf einfache Weise über einen
großen
Bereich der Sandwichstruktur konstante Abstände zwischen dem Deckblech
und dem Grundblech gewährleistet
werden. Als metallische Strukturen kommen neben Streckmetallen beispielsweise auch
gitter- oder geflechtartige Metallstrukturen in Frage. Streckmetalle
bestehen aus einem geschlitzten Blech, dass zur lokalen Aufwölbung gestreckt wurde.
Streckmetalle können
daher leicht als Abstandshalter eingesetzt werden. Darüber hinaus
sind sie einfach auf dem Grund- bzw. Deckblech zu positionieren.
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Glasköper, Glaskugeln,
Glasfasermatten Keramikkörper,
Keramikelemente und/oder Keramikkugeln in der Zwischenschicht gewährleisten
gemäß einer
nächsten
Ausführungsform
des Verbundblechs einen gleichbleibenden Abstand zwischen Deckblech und
dem Grundblech, insbesondere Keramikköper, -elemente oder -kugeln
auch beim Warmumformen bei Temperaturen zwischen 750 °C und 950 °C.
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Eine
weitere Anpassung des Verbundblechs an die Belastungsanforderungen
kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass das Grundblech,
das Deckblech und optional der metallische Abstandshalter unterschiedliche
Materialguten und/oder Materialdicken aufweisen. Als Materialguten
kommen insbesondere für
die Warmumformung geeignete höher- und
höchstfeste
Stähle,
beispielsweise Mangan-Bor-Stähle
oder Komplexphasen-Stähle,
in Betracht, da diese bei geringen Dicken sehr hohe Festigkeiten
erreichen. Im Hinblick auf eine spätere Verwendung des Verbundblechs,
beispielsweise zur Herstellung von Strukturbauteilen, können die
Materialguten und/oder -dicken dann so gewählt werden, dass beispielsweise
ein gewünschtes
Energieabsorptionsverhalten oder Verformungsverhalten des Strukturbauteils
erzielt wird. Aus diesem Grund ist auch der Einsatz anderer Materialguten,
beispielsweise von Warmarbeitsstählen,
denkbar. Die Dicken für
das Grund- und/oder das Deckblech betragen abhängig von der Anwendung zwischen
0,2 mm bis 3 mm. Es sind aber auch höhere Wanddicken des Grund-
bzw. des Deckblechs vorstellbar.
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Gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe verfahrensmäßig dadurch
gelöst,
dass auf ein Grund- und/oder Deckblech im Bereich der Sandwichstruktur
ein an eine Temperatur während
einer Umformung im warmen oder halbwarmen Zustand angepasstes Verbindungsmittel
aufgebracht wird, gleichzeitig mit oder nach dem Aufbringen des
Verbindungsmittels eine Zwischenschicht auf dem Grundblech und ein
Deckblech auf der Zwischenschicht angeordnet wird, wobei die Zwischenschicht aus
einem Werkstoff besteht, welcher bei den vorgesehenen Temperaturen
während
einer Umformung im warmen oder halbwarmen Zustand seine Festigkeit
im Wesentlichen nicht ändert
und die gebildete Sandwichstruktur verpresst wird, so dass durch
die Verbindungsmittel eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht
und dem Grund- und/oder Deckblech ausgebildet wird.
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Mit
dem angegebenen Verfahren kann ein Verbundblech, welches einerseits
nach einem Warm- oder Halbwarmumformen weiterhin eine hohe Maßhaltigkeit,
insbesondere im Bereich der Sandwichstruktur gewährleistet, hergestellt werden.
Durch den Einsatz von an die Temperaturen während einer Umformung im warmen
oder halbwarmen Zustand angepassten Verbindungsmitteln zur Ausbildung
einer Verbindung zwischen Zwischenschicht und Grund- bzw. Deckblech
wird nicht nur die Maßhaltigkeit
des Verbundblechs nach der Umformung verbessert, sondern auch das
Herstellverfahren des Verbundblechs durch eine vereinfachte Positionierung
und Fixierung der Zwischenschicht auf dem Grundblech vor dem Umformen
erleichtert.
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Als
Verbindungsmittel können
gemäß einer nächsten Ausgestaltung
Lote, Lötfolien
oder Lötpasten
auf das Grund- und/oder Deckblech aufgebracht oder aufgetragen werden.
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Ein
gute Positionierung der Zwischenschicht auf dem Grundblech wird
dadurch erreicht, dass unmittelbar vor oder während des Verpressens zumindest
die Sandwichstruktur des Verbundblechs erwärmt wird, so dass die Verbindungsmittel
eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht und dem Grundblech
und/oder dem Deckblech ausbilden. Bei der Verwendung von Loten,
Lötfolien
oder Lötpasten wird
das Verbundblech so stark erwärmt,
dass die Lote bzw. die Lötfolie
verflüssigen
oder duktil werden und eine Lötverbindung
aufbauen.
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Ist
auf der Lötfolie
die Zwischenschicht angeordnet oder aufgebracht oder ist in der
Lötpaste
der Werkstoff der Zwischenschicht enthalten, kann das Verfahren
zur Ausbildung der Sandwichstruktur des Verbundblechs weiter vereinfacht
werden, da ein zusätzliches
Aufbringen oder Anordnen der Zwischenschicht entfällt. Denkbar
ist beispielsweise die Lötfolie
bereits mit Glas- oder Keramikkugeln zu Beschichten und die Zwischenschicht
unmittelbar mit der Lötfolie
bereitzustellen. Wird die Lötpaste
mit den für
die Zwischenschicht notwendigen Werkstoffen ausgerüstet, kann
beim Auftragen der Lötpaste
beispielsweise auf das Grundblech gleichzeitig auch die Zwischenschicht
aufgetragen werden.
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Vorzugsweise
werden das Blech, das Deckblech, die Zwischenschicht und optional
das Verbindungsmittel bandförmig
bereitgestellt, so dass das Verpressen der Sandwichstruktur kontinuierlich
erfolgen kann. Durch diese Maßnahme
ist es möglich,
auf einfache Weise ein ganzflächig
verstärktes
Verbundblech herzustellen, welches zur Herstellung von Strukturbauteilen
für den
Kraftfahrzeugbau besonders gut geeignet ist. Allerdings sind auch
lokal verstärkte
Verbundbleche denkbar.
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Die
Verwendung von Lötfolien
und/oder Lötpasten
als Verbindungsmittel ist insbesondere bei der bandförmigen Herstellung
des Verbundblechs vorteilhaft.
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Gemäß einer
dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe durch ein Bauteil, insbesondere ein Strukturbauteil für den Kraftfahrzeugbau,
bestehend aus einem im warmen oder halbwarmen Zustand umgeformten,
insbesondere tiefgezogenen erfindungsgemäßen Verbundblech gelöst. Das
erfindungsgemäße Bauteil
zeichnet sich neben den hervorragenden Steifigkeits-, Festigkeits- und Gewichtseigenschaften
durch eine besonders hohe Maßgenauigkeit
der verstärkten Sandwichstruktur
und einem vereinfachten Herstellverfahren für das Ausgangsprodukt, dem
Verbundblech, aus.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das
erfindungsgemäße Verbundblech,
das Verfahren zur Herstellung des Verbundblechs sowie das aus dem
Verbundblech hergestellte Bauteil auszugestalten und weiterzubilden.
Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und
7 nachgeordneten Patentansprüche,
andererseits auf die Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
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1 in
einer Schnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbundblechs,
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2 in
einer schematischen Schnittansicht ein aus dem Ausführungsbeispiel
aus 1 hergestelltes Bauteil nach einer Warmumformung
und
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3 in
einer schematischen, perspektivischen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verbundblechs.
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1 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht die Sandwichstruktur eines
erfindungsgemäßen Verbundblechs 1 bestehend
aus einem Grundblech 2, einer Zwischenschicht 3 und
einem Deckblech 4. Um das Gewicht des Verbundblechs 1 möglichst
gering zu halten, werden das Grundblech 2 bzw. das Deckblech 4 vorzugsweise
aus höher- und/oder
höchstfesten
Stählen
hergestellt, so dass die Wanddicken bei gleicher Festigkeit entsprechend gering
ausfallen können.
Beispielsweise können Mangan-Bor-Stähle, insbesondere
vom Legierungstyp 22MnB5 oder aber auch Komplexphasenstähle, beispielsweise
vom Typ CP-W 800, verwendet werden. Wie bereits zuvor beschrieben,
können im
Hinblick auf ein hohes Energieabsorptionsverhalten bzw. gutes Deformationsverhalten
eines aus dem Verbundblech 1 hergestellten Strukturteils,
beispielsweise im Kraftfahrzeugbau auch andere Materialguten in
Betracht kommen. Die Zwischenschicht 3 ist in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
durch Glaskörper
oder Keramikelemente gebildet, welche auch während einer Warmumformung bzw.
einer Halbwarmumformung ihre Festigkeit nicht verlieren. Typischerweise
sind Glaskörper
als Zwischenschicht 3 für
Umformtemperaturen im halbwarmen Bereich von 550 °C bis 750 °C geeignet.
Keramikelemente lassen Temperaturbereiche von 750 °C bis 950 °C, also die typischen
Warmumformtemperaturen während
einer Umformung, zu. Als Verbindungsmittel ist in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
eine Lötfolie 5 vorgesehen,
die bei der Herstellung des Blechs die Verbindung zwischen der Zwischenschicht 3 dem
Grundblech 2 und dem Deckblech 4 gewährleistet.
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In 2 wird
nun in einer Schnittansicht ein Bauteil 8 gezeigt, welches
aus dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verbundblechs
durch eine Warmumformung, vorliegend einem Tiefziehen in warmem
Zustand, entstanden ist. Während
einer Warmumformung wird das Verbundblech 1 auf Temperaturen
zwischen 750 °C
und 950°C
erwärmt,
im warmen Zustand umgeformt, beispielsweise tiefgezogen und anschließend im
umgeformten Zustand abgekühlt.
Bei einer Umformung im halbwarmen Zustand erfolgt die Umformung etwa
bei 650 °C.
Die erfindungsgemäß verwendeten Lotschichten 5 zwischen
der Zwischenschicht 3 und dem Grundblech 2 bzw.
dem Deckblech 4 verflüssigen
sich bei der Warmumformung, so dass eine Fixierung der Zwischenschicht 3 während der
Warmumformung möglich
ist und eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht 3,
dem Grundblech 2 und dem Deckblech 4 hergestellt
wird. Der Abstand d zwischen Deckblech 4 und Grundblech 2 wird
zusätzlich durch
die verwendeten Glaskörper
oder Keramikelemente 6 in der Zwischenschicht 3 gewährleistet,
welche ihre Festigkeit bei der Halbwarm- oder Warmumformung nicht verlieren.
Der Abstand d des Grundblechs 2 vom Deckblech 4 bleibt
trotz der Warmumformung konstant. Das bedeutet, dass die Abstandshalterfunktion
der Zwischenschicht 3 vollständig gewährleistet bleibt, auch während des
Warmumformens. Im Ergebnis ist die Präzision der umgeformter Verbundbleche
deutlich verbessert, womit gleichzeitig stabilere Festigkeits- und
Steifigkeitseigenschaften gegeben sind.
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3 zeigt
nun in einer perspektivischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verbundblechs 1,
welches ganzflächig
verstärkt
ist. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel
aus 1 und 2 weist das Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Blechs 1 aus 3 als
Zwischenschicht 3 eine metallische Struktur, beispielsweise
ein Streckmetall 7 auf. Streckmetalle bestehen aus geschlitzten
Blechen, welche gestreckt werden, so dass sich das geschlitzte Blech
in vertikale Richtungen ausdehnt und Wellen bildet. Die Wellenberge
und -täler
bilden dann Kontaktstellen zwischen dem Deckblech und dem unteren
Blech. Die Kontaktstellen zwischen den äußeren Blechen 2, 4 und
dem Streckmetall 7 können
darüber
hinaus als Anschweißpunkte
für andere
außenliegende
Strukturanwendungsbauteile dienen.
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Der
Einfachheit halber ist in 3 das Verbindungsmittel,
beispielsweise eine Lötfolie,
nicht dargestellt.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist insbesondere
vorteilhaft, da es sich auf einfache Weise bandförmig herstellen lässt, in
dem die Eingangsmaterialien, das Deckblech 4, das Grundblech 2,
die Zwischenschicht 7 und ein Verbindungsmittel 5 bandförmig einem
Verpressen zugeführt wird.
Streckmetalle 7 können
ebenso wie Lötfolien besonders
einfach bandförmig
bereitgestellt und miteinander verbunden werden. Allerdings kann
die Zwischenschicht 3 unmittelbar durch eine Lötfolie 5 oder ein
anderes bandförmiges
Verbindungsmittel bereitgestellt werden, so dass auch Sandwichstrukturen mit
Glaskörpern
oder Keramikelementen 6 bandförmig produziert werden können.