DE102009049398C5 - Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug und Strukturbauteil - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug bei dem eine Platine erwärmt wird, im erwärmten Zustand einem Werkzeug zugeführt wird und in dem Werkzeug umgeformt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platine vor der Umformung einem Nitrierprozess unterzogen wird. Weiterhin wird eine Platine für eine Warmumformung zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug beschrieben, wobei die Oberfläche der Platine eine Nitrierschicht aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, das aus einer Platine mit einer Nitrierschicht durch Warmumformen hergestellt ist

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug sowie ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug.
  • Zur Herstellung von Strukturbauteilen für die Karosserie oder ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges kann wahlweise ein Kaltumformprozess oder ein Warmumformprozess verwendet werden.
  • Die Herstellung einer Fahrwerkskomponente mittels Kaltumformung ist beispielsweise in der DE 10 2008 060 161 A1 beschrieben. Hierbei wird das umgeformte Halbzeug nach der Kaltumformung einer Nitrierbehandlung unterzogen. Weiterhin ist in der DE 101 50 093 C1 ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen mit Hohlwellen, vorzugsweise Nockenwellen, beschrieben. Die hierbei verwendeten Nockenringe können nach deren funktionsgerechter Herstellung randschichtgehärtet werden. Das Randschichthärten kann beispielsweise durch Einsatzhärten, Nitrieren oder Induktionshärten erfolgen.
  • Der Vorteil bei einem Warmumformprozess, bei dem die umzuformende Platine auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird und anschließend in einem Werkzeug umgeformt wird, ist die erhöhte Festigkeit, die im Vergleich zu kaltumgeformten Strukturbauteilen erhalten werden kann. Zudem ist bei einer Warmumformung des Strukturbauteils die Rückfederung im Vergleich zu der Rückfederung bei Kaltumformung geringer und somit die Maßhaltigkeit größer.
  • Bei Verwendung konventioneller Bleche aus vergütbarem Werkstoff bestehen bei der Warmumformung allerdings Nachteile. Die Platine muss nach der Behandlung im Ofen zu dem Werkzeug transportiert werden. Geschieht dieser Transport nicht unter Schutzgas sondern unter normaler Atmosphäre, so kommt es durch den Kontakt mit Luft zur Bildung einer Zunderschicht auf dem Blech. Beim Umformprozess im Werkzeug wirkt die Zunderschicht dann wie ein abrasives Medium und erhöht somit den Werkzeugverschleiß. Die Folge sind erhöhte Werkzeuginstandhaltungskosten und gegebenenfalls erhöhter Ausschuss. Zusätzlich muss das Bauteil anschließend gestrahlt werden, da der Zunder einer Lackierung entgegenwirkt.
  • Zum Unterbinden der Zunderentstehung ist in der DE 103 50 885 B4 beispielsweise eine Beschichtung einer Platine, insbesondere ein Feueraluminieren einer Platine beschrieben. Ein Nachteil dieser Beschichtung besteht darin, dass diese keinen echten Korrosionsschutz darstellt, sondern lediglich eine gute Voraussetzung für eine anschließende Lackierung der pressgehärteten Bauteile bietet. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Temperatur in dem Ofen zum Austenitisieren so eingestellt werden muss, dass diese stets unterhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung liegt. Der Schmelzpunkt der Beschichtung ändert sich aber bei höheren Temperaturen stets, so dass erhöhte Anforderungen an die Temperaturführung gestellt sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Möglichkeit zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mit der bei geringem Werkzeugverschleiß auf einfache Weise Strukturbauteile mit einer guten Bauteilqualität geschaffen werden können.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem die Platine vor der Warmumformung oberflächenbehandelt wird.
  • Als Oberflächenbehandlung wird in diesem Zusammenhang eine thermochemische Behandlung der Platine verstanden. Insbesondere wird als Oberflächenbehandlung eine Behandlung der Platine verwendet, bei der diese einem Gas ausgesetzt, so dass sich die Eigenschaften der Oberfläche der Platine ändern. Im Unterschied zu einer Beschichtung, bei der ein Beschichtungsmaterial auf die Oberfläche aufgebracht wird, wird bei der Oberflächenbehandlung eine Änderung der Oberfläche der Platine selber bewirkt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug bei dem eine Platine erwärmt wird, im erwärmten Zustand einem Werkzeug zugeführt wird und in dem Werkzeug umgeformt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Platine vor der Umformung in dem Werkzeug einem Nitrierprozess unterzogen wird und der Nitrierprozess vor dem Zuführen der Platine zu dem Ofen durchgeführt wird.
  • Als Strukturbauteile werden Bauteile der Karosserie oder des Fahrwerkes eines Kraftfahrzeuges bezeichnet, die im Crashfall Stoßenergie abfangen können. Diese Strukturbauteile unterscheiden sich Von anderen Fahrwerksbauteilen, die dynamischen Belastungen, die durch die Bewegung des Fahrzeuges entstehen, standhalten müssen. Hingegen dienen Strukturbauteile unter anderem dazu, im Falle eines Zusammenstoßes eines Kraftfahrzeuges mit einem anderen Objekt Aufprallenergie in Deformationsenergie umzuwandeln. Strukturbauteile von Kraftfahrzeugen sind beispielsweise Stoßfänger, Motorhauben, Seitenaufprallschutzbauteile, A-, B- und C-Säulen.
  • Als Platine wird im Sinne dieser Erfindung eine Blechtafel verstanden, die zur Weiterverarbeitung von einem Coil oder aus einem Blech geschnitten wird. Insbesondere wird die Platine aus dem Blech herausgestanzt oder geschnitten. Die Platine kann hierbei eine über die Fläche konstante Materialstärke aufweisen. Es ist allerdings auch möglich eine Platine mit unterschiedlichen Materialstärken zu verwenden.
  • Die Platine wird in einem Ofen erwärmt. Als Erwärmen wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise ein Erhöhen der Temperatur der Platine auf eine Temperatur, die oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac1 des Materials der Platine liegt, verstanden. Das Werkzeug, dem die Platine im erwärmten Zustand, das heißt nach dem Erwärmen im Ofen, zugeführt wird, ist vorzugsweise ein Presswerkzeug, das gekühlt sein kann. Die Umformung in dem Werkzeug wird auch als Warmumformung bezeichnet. Die Abkühlung im Werkzeug ist vorzugsweise ausreichend schnell, um ein martensitisches Gefüge auszubilden. Beim Abkühlen der Platine in dem Werkzeug wird die Umformung in dem Werkzeug auch als Presshärten bezeichnet.
  • Die Festigkeit eines durch eine Warmumformung, insbesondere durch Presshärten, hergestellten Strukturbauteils kann gegenüber Strukturbauteilen, die durch Kaltumformung von so genannten Kaltumformstählen hergestellt sind, gesteigert werden. Somit wird eine Verringerung der Materialsstärke des Strukturbauteils möglich und damit ein Leichtbaupotential geboten. Ein weiterer Vorteil gegenüber der Kaltumformung ist zudem die reduzierte Rückfederung des Strukturbauteils nach der Umformung.
  • Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass eine Oberflächenbehandlung, insbesondere eine Oberflächenhärtung der Platine durch Nitrieren in einem solchen Herstellungsprozess mit Erwärmung und anschließender Umformung der erwärmten Platine unerwartete Vorteile bezüglich des Herstellungsprozesses und der Bauteilqualität liefert.
  • Der Nitrierprozess, der im Folgenden auch als Nitrieren bezeichnet wird, umfasst das Beaufschlagen der Platine mit einem stickstoffhaltigen Gas oder anderem stickstoffhaltigen Medium. Die Nitrierbehandlung kann in einem Kammerofen oder einem Durchlaufofen durchgeführt werden. Durch das Nitrieren der Platine bildet sich an den Oberflächen der Platine durch Eindiffundieren von Stickstoff eine sehr harte oberflächliche Verbindungsschicht. Unterhalb der Verbindungsschicht bildet sich eine sogenannte Diffusionszone, in der der Stickstoff bis zu einer bestimmten Tiefe in der Metallmatrix des Grundgefüges, beispielsweise der ferritischen Metallmatrix, eingelagert ist. Es ist allerdings auch möglich die Platine so zu nitrieren, dass die Bildung einer Verbindungsschicht vermieden wird.
  • Das Nitrieren erfolgt in der Regel bei Temperaturen von 400–600°C. Zudem wird im Allgemeinen unter Vakuum nitriert, so dass eine Platinenoberfläche frei von Oxiden entsteht und so eine anschließende Strahlbehandlung der Oberflächen vor einer Lackierbehandlung entfallen kann. Dies führt zu einer Verkürzung der Prozesskette und damit zu einer Kostenoptimierung. Die Nitrierschicht verhindert zudem das Verzundern bei dem Transport der Platine zu dem Werkzeug und reduziert somit den Werkzeugverschleiß. Zudem ist eventuell zusätzliche Korrosionsschutzbeschichtung unnötig, da die Nitrierschicht bereits ausreichend korrosionsbeständig ist.
  • Erfindungsgemäß kann das Nitrieren der Platine beispielsweise durch Gasnitrieren oder Plasmanitrieren, das auch als Ionitrieren bezeichnet wird, erfolgen. Ein besonderer Vorteil des Plasmanitrierens und Gasnitrierens liegt darin, dass eine Nachbehandlung der nitrierten Platine nicht erforderlich ist. Somit kann gegenüber Verfahren, wie dem Badnitrieren eine weitere Optimierung des Verfahrens erzielt werden.
  • Erfindungsgemäß ist das Plasmanitrieren bevorzugt, da hierbei die Behandlungsdauer während des Nitrierens verkürzt werden kann. Beim Plasmanitrieren erfolgt das Nitrieren der Platine in einer ionisierten Gasatmosphäre.
  • Vorzugsweise wird somit mittels Plasmanitrieren vor dem Umformen der Platine eine typische Nitrierschicht auf den Oberflächen der Platine aufgebracht beziehungsweise in den Oberflächen erzeugt. Die Nitrierschicht zeichnet sich durch eine besondere Korrosionsbeständigkeit, Zunderbeständigkeit und Umformbarkeit aus.
  • Erfindungsgemäß wird der Nitrierprozess vor der Warmumformung der Platine durchgeführt. Erfindungsgemäß wird der Nitrierprozess vor dem Zuführen der Platine zu dem Ofen durchgeführt.
  • Die umgeformte Platine kann erfindungsgemäß nach der Warmumformung unmittelbar der Endverarbeitung zugeführt werden. Diese unmittelbare Endverarbeitung kann beispielsweise das Lackieren des Strukturbauteils sein. Eine solche unmittelbare Endverarbeitung nach der Warmumformung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, da ein Verzundern bei dem Transport der Platine zu dem Werkzeug und in dem Werkzeug nicht auftritt. Ein Abstrahlen des Strukturbauteils nach der Umformung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren daher entfallen. Auch das Aufbringen einer Korrosionsschicht ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig. Die beim Nitrieren gebildeten Diffusionsschicht und gegebenenfalls gebildete Verbindungsschicht verhindern auch eine Korrosion nach der Umformung. Somit wird die Anzahl der erforderlichen Verarbeitungsschritte bei dem Herstellungsverfahren minimiert.
  • Die Platine, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, kann aus einem Vergütungsstahl bestehen. Es hat sich gezeigt, dass auch bei diesen Stählen ein ausreichender Schutz gegen Verzundern und Korrosion durch Nitrieren erzielt werden kann. Auch die Verwendung eines mikrolegierten Stahls als Material für eine Platine, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Strukturbauteil umgeformt wird, ist möglich. Ein möglicher Werkstoff, aus dem die Platine hergestellt sein kann, ist eine 22MnB5 Stahllegierung.
  • Indem herkömmliche Stähle bei dem erfindungsgemäßen Verfahren oder als Material für die erfindungsgemäße Platine verwendet werden können, werden die Herstellungskosten eines Strukturbauteils nicht negativ beeinflusst. Zudem weisen diese Materialien im Vergleich zu Nitrierstählen den Vorteil auf, dass deren Herstellungskosten geringer sind und zudem ein geringerer Kohlenstoffgehalt vorliegt, wodurch die Verarbeitbarkeit, insbesondere Schweißbarkeit des Endproduktes möglich bleibt.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt das erfindungsgemäße Verfahren ein kontinuierliches Verfahren dar. Als kontinuierliches Verfahren wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Serienfertigung der Strukturbauteile verstanden, bei dem die Taktzeiten der einzelnen Verfahrensschritte aufeinander angepasst sind. Hierbei ist der Fertigungsprozess als eine Produktionskette so integriert, dass die Produkte, die einen Verfahrensschritt abgeschlossen haben, unmittelbar zu dem nächsten Behandlungsschritt weitergeleitet werden. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht in der Kostenoptimierung, die durch das Entfallen des Erfordernisses einer langen Zwischenlagerung besteht. Weiterhin muss die Taktzeit des Fertigungsprozesses, der bei herkömmlichen Herstellungsverfahren von Strukturbauteilen verwendet wird, aufgrund der geringen Behandlungsdauer des Nitrierens nicht verlängert werden. Das Nitrieren, insbesondere das Plasmanitrieren kann vielmehr ohne Änderung der Taktzeiten in den Fertigungsprozess eingebunden werden.
  • Die erfindungsgemäß verwendete Platine kann aus mikrolegiertem Stahl oder Vergütungsstahl bestehen. Die Platine kann beispielsweise aus einem 22MnB5 Stahl bestehen. Hierdurch sind die Kosten zur Herstellung der Platine minimiert.
  • Vorzugsweise ist die Platine eine Platine zur Herstellung eines Stoßfängers, einer Motorhauben, eines Seitenaufprallschutzbauteile oder einer A-, B- oder C-Säule.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dieses durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hergestellt ist.
  • Ein Stahl, aus dem die Platine für das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Platine bestehen kann, ist beispielsweise der von der Firma Benteler AG unter der Handelsbezeichnung BTR 165 vertriebene Vergütungsstahl. Neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen kann der als Ausgangsmaterial verwendete Stahl beispielsweise eine der drei in der Tabelle 1 gezeigten Verteilungen von Legierungselementen in Gewichtsprozent aufweisen.
    Figure DE102009049398C5_0001
    Tabelle 1
  • Gemäß einer Ausführungsform ist besteht die Platine aus einem Stahl, der in Gewichtsprozenten besteht aus:
    Kohlenstoff (C): 0,22% bis 0,25%
    Silizium (Si): 0,10% bis 0,50%
    Mangan (Mn): 1,00% bis 2,50%
    Phosphor (P): maximal 0,025%
    Schwefel (S): maximal 0,010%
    Aluminium (Al): 0,010% bis 0,060%
    Bor (B): 0,0015% bis 0,005%
    Chrom (Cr): 0,10% bis 0,80%
    Titan (Ti): 0,020% bis 0,050%
    Molybdän (Mo): maximal 0,50%
    Kupfer (Cu): maximal 0,10%
    Nickel (Ni): maximal 0,30%
    Rest: Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  • Es hat sich gezeigt, dass mit diesen Legierungen jeweils eine Verfestigung der Oberfläche beim Nitrieren erzielt werden kann, die insbesondere für Strukturkomponenten eines Kraftfahrzeuges einen ausreichenden Zunderschutz und Korrosionsschutz bieten. Zudem ist diese Stahllegierung kostengünstig herstellbar und kann insbesondere aufgrund des geringen Kohlenstoffgehaltes geschweißt werden.
  • Es sei bemerkt, dass in Abweichung der angegebenen Legierungszusammensetzungen, die Nitridbildner (Al, Ti, V, Mo, Cr) jeweils einzeln oder in Kombination zulegiert werden können. Die genannten Stahllegierungen, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden können, zeichnen sich insbesondere aus durch den niedrigen Kohlenstoffgehalt, durch die in der jeweiligen Legierung enthaltenen Nitridbildner (Al, Ti, V, Mo, Cr) in den geeigneten Mengen, durch die gute Umformbarkeit des Stahls, der diese Zusammensetzungen aufweist, sowie durch den günstigen Preis des Stahls und schließlich durch die Verfügbarkeit des Ausgangsmaterials.
  • Vorteile und Merkmale, die bezüglich des Verfahrens beschrieben werden, gelten – soweit anwendbar – entsprechend auch für die erfindungsgemäße Platine und das erfindungsgemäße Strukturbauteil und jeweils umgekehrt. Weiterhin gelten Vorteile und Merkmale, die bezüglich einer Ausführungsform beschrieben werden auch für andere Ausführungsformen ohne, dass diese zwangsweise alle Merkmale der jeweils anderen Ausführungsform aufweisen muss.
  • Die vorliegende Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Zum einen wird der Werkzeugverschleiß verringert, da eine Zunderbildung bei dem Transport zu dem Werkzeug aufgrund der Nitrierschicht nicht auftritt. Weiterhin kann eine konstante Bauteilqualität geschaffen werden, da die Form des Strukturbauteils durch Warmumformen erzielt wird und somit die Rückfederung gegenüber einem kaltumgeformten Strukturbauteil verringert ist. Zudem ist der Ausschuss verringert und die Kosten sind durch Reduzierung der Prozessschritte, beispielsweise Verzicht auf Strahlbehandlung des Bauteils vor dem Lackieren, reduziert. Zudem kann eventuell auf andere Korrosionsschutzsysteme verzichtet werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug bei dem eine Platine erwärmt wird, im erwärmten Zustand einem Werkzeug zugeführt wird und in dem Werkzeug umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine vor der Umformung einem Nitrierprozess unterzogen wird und der Nitrierprozess vor dem Zuführen der Platine zu dem Ofen durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nitrierprozess Plasmanitrieren ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umgeformte Platine nach der Warmumformung unmittelbar der Endverarbeitung zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine aus einem vergütbaren Stahl besteht.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine aus einem 22MnB5 Stahl besteht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren darstellt.
  7. Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einer Platine mit einer Nitrierschicht durch Warmumformen hergestellt ist und nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.
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