DE102011109660B3

DE102011109660B3 - Formbauteil zu Panzerungszwecken und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011109660B3
Application number: DE201110109660
Authority: DE
Inventors: Wilfried Rostek; Markus Müller; Martin Pohl; Rüdiger Erhardt; Olav Linden; Matthias Wiemers
Original assignee: Benteler Defense GmbH and Co KG
Current assignee: Benteler Defense GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-08-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formbauteil, das aus einer nicht vorgeformten Platine, die eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, oder aus einem aus einer Platine zumindest partiell vorgeformten Ausgangsbauteil, das eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, durch zumindest partielles Warmformen, insbesondere in drei Dimensionen, und zumindest partielles Presshärten erhalten worden ist, wobei es sich bei der oder den Stahlegierung(en), die in der Platine oder dem Ausgangsbauteil vorliegt bzw. vorliegen, um eine oder mehrere Schutz- oder Panzerstahllegierung(en) handelt und wobei es sich nach Abschluss der zumindest partiellen Warmformung und der zumindest partiellen Presshärtung bei dem Formbauteil um ein Panzerungsbauteil oder um einen Bestandteil eines Panzerungsbauteiles handelt, das hinsichtlich sowohl ballistischen Beschusses einer vorbestimmten Beschussklasse als auch Ansprengung einer vorbestimmten Minenschutzklasse ausgelegt ist, wobei das Formbauteil auf zumindest einer seiner beiden Flächenseiten eine Vielzahl von Teilflächen erhöhter Härte und eine Teilfläche erhöhter Duktilität aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung Herstellungsverfahren für das erfindungsgemäße Formbauteil.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Panzerung von Objekten sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich gegen feindliche Einwirkungen von außen. Typischerweise können die feindlichen Einwirkungen dabei zum einen im Falle von kriegerischen oder kriegsähnlichen Konflikten, d. h. insbesondere in militärischen Konflikten oder Bürgerkriegen, sowohl von Kombattanten als auch von Nichtkombattanten und zum anderen im Falle von nicht-kriegerischen Situationen von kriminell, politisch, ethnisch oder religiös motivierten Personen oder Organisationen ausgehen.
Bei den Objekten kann es sich um jegliche Objekte handeln, die erfahrungsgemäß feindlichen Einwirkungen von außen ausgesetzt sind. Daher umfassen diese Objekte insbesondere Personen, Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und Gebäude bzw. Bauwerke.
Die vorliegende Erfindung betrifft Panzerungsbauteile, die als Schutzhüllen für diese Objekte dienen und somit Schutz vor äußeren, mechanisch einwirkenden Gefahren bieten. Im besonderen Maße eignen sich diese Panzerungsbauteile als Schutzhüllen für Fahrzeuge, und zwar bevorzugt für Landfahrzeuge. Die Landfahrzeuge umfassen dabei insbesondere militärische Landfahrzeuge und zivile Sonderschutzfahrzeuge.
Bei diesen Panzerungsbauteilen handelt es sich um Bauteile, die aus einem oder mehreren Materialien bestehen bzw. ein oder mehrere Materialien umfassen, von denen sich mindestens ein Material im Rahmen eines zumindest partiellen Umform- und/oder Härtungsprozesses be- bzw. verarbeiten lässt. Insbesondere umfasst ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil unlegierten oder legierten Stahl, wobei der oder die Stahlanteile des Panzerungsbauteiles zumindest partiell warmgeformt und/oder zumindest partiell pressgehärtet oder angelassen worden sind. Es ist dabei bevorzugt, dass das Panzerungsbauteil dreidimensional umgeformt worden ist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung und Verwendung derartiger Panzerungsbauteile.
Stand der Technik
DE 197 43 802 C2:
Die DE 197 43 802 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formbauteiles für Kraftfahrzeugkomponenten mit Bereichen
höherer Duktilität. Hierbei wird eine Platine bereitgestellt aus einer Stahllegierung, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus 0,18 bis 0,3% Kohlenstoff (C), 0,1 bis 0,7% Silizium (Si), 1,0 bis 2,5% Mangan (Mn), maximal 0,025% Phosphor (P), 0,1 bis 0,8% Chrom (Cr), 0,1 bis 0,5% Molybdän (Mo), maximal 0,01% Schwefel (S), 0,02 bis 0,05% Titan (Ti), 0,002 bis 0,005% Bor (B), 0,01 bis 0,06% Aluminium (Al) und Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht. Die genannte Legierung eignet sich zum Warmformen und Härten. Für Panzerungszwecke müsste allerdings die Blechdicke so stark gewählt werden, dass der Einsatz der Legierung aus Gewichtsgründen weniger interessant ist.
Bei der DE 197 43 802 C2 wird die Duktilität partieller Bereiche des Formbauteiles durch eine gezielte, auf die spätere Verwendung des Formbauteiles als Kraftfahrzeugkomponente abgestimmte schnelle Erwärmung erreicht. Die Erwärmung kann an der Ausgangsplatine, einem Zwischenformbauteil oder auch am endgeformten Formbauteil vorgenommen werden, und zwar jeweils vor oder auch nach der eigentlichen Vergütung. Dabei werden die gewünschten Bereiche in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden, zweckmäßigerweise in einer Zeit zwischen 10 Sekunden und 25 Sekunden, auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C gebracht.
Die gemäß DE 197 43 802 C2 hergestellten Formbauteile weisen überwiegend hohe Festigkeit mit geringem plastischen Verformungsvermögen bzw. Steifigkeitsverhalten auf und besitzen jeweils eine oder mehrere Zonen geringerer Festigkeit, jedoch hoher Duktilität, wobei ein naht- und stufenloser Übergang vom Bereich hoher Festigkeit zum duktilen Bereich und umgekehrt realisiert ist.
Als erstes Beispiel für ein gemäß DE 197 43 802 C2 produziertes Bauteil ist dort ein Formbauteil beschrieben. Das Formbauteil für die Herstellung von Kraftfahrzeugkomponenten, beispielsweise eines Türaufprallträgers oder Stoßfängers, weist einen breiten, kurzen Bereich auf, in dem der Werkstoff des Formbauteiles eine im Vergleich zu den übrigen Bauteilbereichen höhere Festigkeit besitzt. Damit verleihen die übrigen Bereiche dem Formbauteil eine höhere Duktilität, wohingegen der breite, kurze Bereich dem Formbauteil eine höhere Festigkeit verleiht.
Dabei umfasst die Fertigungsfolge für die Herstellung des Formbauteiles die folgenden Schritte:
Das Ausgangsmaterial wird in Bandform von einem Coil abgezogen und in bedarfsgerechte Platinen geteilt. Durch einen Induktor als Teil der Anlage wird eine gezielte Erwärmung partieller Bereiche der Platine durch elektromagnetische Einwirkung vorgenommen. Hierbei werden gezielt diese partiellen Bereiche in einer Zeit von weniger als 25 Sekunden auf eine Temperatur von 900°C gebracht. Anschließend wird die so wärmebehandelte Platine in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umgeformt. Nach der Umformung wird eine Vergütung des Formbauteiles im Pressenwerkzeug vorgenommen.
Eine verfahrensmäßige Abwandlung der zuvor beschriebenen Fertigungsfolge besteht darin, dass die partielle Erwärmung an einem aus der Platine vor- oder fertiggeformten Bauteil mittels Induktion in den Bereichen vorgenommen wird, die höhere Festigkeitseigenschaften aufweisen sollen. Die Vergütung im Pressenwerkzeug geschieht dann im Vergleich zur oben beschriebenen Vorgehensweise mit reduzierten bzw. ohne Formoperationen. Gegebenenfalls findet nur ein Kalibrieren statt.
Als zweites und drittes Beispiel für ein gemäß DE 197 43 802 C2 produziertes Bauteil sind dort zwei Formbauteile beschrieben. Die beiden Formbauteile weisen Bereiche höherer Duktilität auf, welche lang und schmal ausgebildet sind und in Längsrichtung der Formbauteile verlaufen.
Die Fertigungsfolge solcher Formbauteile mit längsbetonten duktilen Bereichen wird im Folgenden beschrieben:
Von einem Coil wird das Ausgangsmaterial abgezogen und in bedarfsgerechte Platinen geteilt. Die Platinen werden anschließend auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen erwärmt. Dies erfolgt in einem Durchlaufofen. Diese Wärmevorbehandlung kann aber auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine induktive Erwärmung, vorgenommen werden. Hierbei wird die gesamte Platine auf Temperatur gebracht. Nach dieser Wärmevorbehandlung wird die Platine im Pressenwerkzeug zum Formbauteil endgeformt. Im Pressenwerkzeug finden auch erforderliche Vergütungsvorgänge statt.
Im Anschluss hieran werden die Formbauteile aufgenommen und auf einen Förderer durch Fixierungen lageorientiert. Auf dem Förderer durchlaufen die Formbauteile eine Heizvorrichtung, in der durch einen Induktor diejenigen Bereiche, die eine höhere Duktilität aufweisen sollen, in kurzer Zeit auf eine Temperatur von ca. 600°C bis 800°C gebracht werden. Anschließend werden die so erwärmten Bereiche langsam abgekühlt.
DE 102 08 216 C1:
In der DE 102 08 216 C1 wird ein Verfahren zum Herstellen eines partiell gehärteten Bauteiles offenbart, indem Bereiche des Bauteiles nach einer Austenitisierung solange isotherm gehalten werden, bis eine Umwandlung in Ferrit oder Perlit stattfindet und die Bereiche beim anschließenden Härtevorgang nicht mehr in Martensit aushärten.
In dem Verfahren nach DE 102 08 216 C1 werden die Bereiche erster Art, die im späteren Endbauteil duktiler sind, von einer vorbestimmten Abkühl-Starttemperatur, die oberhalb der γ-α-Umwandlungstemperatur liegt, abgeschreckt, wobei das Abschrecken beendet wird, wenn eine vorgegebene Abkühl-Stopptemperatur, die oberhalb der Martensit-Starttemperatur M_s liegt, erreicht ist und zwar bevor eine Umwandlung in Ferrit und/oder Perlit stattgefunden hat oder nachdem erst eine geringe Umwandlung in Ferrit und/oder Perlit stattgefunden hat. Anschließend werden diese Bereiche annähernd isotherm zur Umwandlung des Austenits in ein Gefüge mit hohem Ferrit- und/oder Perlitanteil gehalten. Währenddessen wird in Bereichen zweiter Art, die im Endbauteil im Verhältnis geringere Duktilitätseigenschaften aufweisen, eine Härtetemperatur T_H erreicht, die mindestens gerade so hoch ist, dass eine ausreichende Martensit-Bildung in den Bereichen zweiter Art während eines nachgelagerten Härteprozesses stattfinden kann. Anschließend wird das Bauteil dem nachgelagerten Härteprozess zugeführt.
Zur Vorbereitung wird die Platine oder das Formbauteil in einer Erwärmeinrichtung auf eine definierte Austenitisierungs-Temperatur über eine bestimmte Austenitisierungs-Zeit homogen erwärmt, wobei diese Austenitisierungs-Temperatur der Abkühl-Starttemperatur entsprechen kann.
Im Unterschied zum vorbekannten Stand der Technik, wo die Bereiche erster Art mit einer geringen Abkühlgeschwindigkeit kontinuierlich abgekühlt werden, werden im Verfahren nach DE 102 08 216 C1 nun die Bereiche erster Art zunächst schnell auf eine Abkühl-Stopptemperatur bzw. Umwandlungstemperatur abgeschreckt und wandeln dann im Anschluss im Wesentlichen isotherm in ferritisch/perlitisches Gefüge um.
Dadurch soll erreicht werden, dass durch exakte Einstellung der Parameter Umwandlungstemperatur und Haltezeit der Gefügeanteil Ferrit/Perlit und damit die mechanischen Eigenschaften der bearbeiteten Platine bzw. des hergestellten bzw. bearbeiteten Formbauteiles steuerbar sind, was das Verfahren prozesssicher machen soll. Des Weiteren weisen die parallel ablaufenden Prozesse zur Einstellung der duktilen Eigenschaften in den Bereichen erster und zweiter Art den gleichen Prozessbeginn, das gleiche Prozessende sowie die gleiche Prozesszeit auf. Das Verfahren kann somit in einen bereits bestehenden Warmformprozess integriert werden.
Bei dem Herstellungsverfahren für das Formbauteil mit einem duktilen Bereich erster Art und einem hochfesten Bereich zweiter Art erkennt man, dass diese beiden Bereiche während des Verfahrens nach DE 102 08 216 C1 durch ein der Kontur des Formbauteiles angepasstes, senkrecht zum Formbauteil stehendes Blech abgeschottet sind. Zudem ist der Bereich erster Art, der ein duktiles Gefüge aufweisen soll, von Düsen sowohl von oben als auch von unten umschlossen, durch die ein Kühlmedium wie zum Beispiel Luft austreten und auf den Bereich erster Art des Formbauteiles strömen kann. Dadurch wird das gewünschte schnelle Abkühlen des Bereiches erster Art des Formbauteiles durch ein Kühlmedium ermöglicht, während der Bereich zweiter Art des Formbauteiles durch die Abschottung mittels des Bleches keine Abkühlung durch die Düsen erfährt.
DE 697 07 066 T2:
Die DE 697 07 066 T2 beschreibt eine warmgeformte B-Säule mit einem speziell eingestellten Härteverteilungsverlauf, der sich in etwa bogenförmig über die B-Säule erstreckt, wobei die höchsten Härtewerte sich in der Mitte der B-Säule befinden.
Der durch Pressformgebung ausgebildete Gegenstand weist einen Endabschnitt und einen anderen Endabschnitt auf, weshalb der durch Pressformgebung ausgebildete Gegenstand eine relativ lange Größe hat. Der abgeschreckte Bereich erstreckt sich somit kontinuierlich vom einen Endabschnitt zum anderen Endabschnitt. Deshalb hat der sich kontinuierlich erstreckende abgeschreckte Bereich eine Härteverteilung in einem Zustand, bei dem die Härte in dem mittleren Bereich zwischen dem einen Endabschnitt und dem anderen Endabschnitt am größten ist, so dass sich die Härte von dem mittleren Bereich zum einen Endabschnitt und zum anderen Endabschnitt allmählich verringert.
Der Abschreckvorgang wird im Allgemeinen nach dem Pressformvorgang ausgeführt. Eine Abschreckvorrichtung kann eine Heizvorrichtung zum Zuführen eines hochfrequenten Stroms in eine Induktionsspule und eine Kühlvorrichtung zum In-Kontakt-Bringen eines Kühlmittels mit dem durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstand haben. Eine Frequenz des hochfrequenten Stromes kann in Abhängigkeit der Art des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstandes geändert werden. Die Frequenz kann in einem Bereich von 10 bis 450 kHz festgelegt sein. Das Kühlmittel ist im Allgemeinen Wasser, aber auch Öl oder dergleichen in Abhängigkeit der Art des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstandes.
Eine Steuerung der Aufheiz- bzw. Austenitisierungstemperatur, die irreführenderweise in der DE 697 07 066 T2 als Abschrecktemperatur bezeichnet wird, kann eine Härteverteilung in dem abgeschreckten Bereich des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstandes bewirken. Für den Bereich des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstandes, der eine große Härte erfordert, kann die Aufheiztemperatur ungefähr auf 950 bis 1200°C festgelegt sein. Außerdem kann die Aufheiztemperatur für den Bereich, der keine große Härte erfordert, ungefähr auf 800 bis 950°C festgelegt sein.
Um die Aufheiztemperatur des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstandes zu steuern, kann die relative Bewegungsgeschwindigkeit einer Induktionsspule hinsichtlich des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstands gesteuert werden. Genauer gesagt kann an dem Bereich, der eine große Härte erfordert, die relative Bewegungsgeschwindigkeit der Induktionsspule auf eine geringere Geschwindigkeit festgelegt sein, um die Aufheiztemperatur des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstandes zu erhöhen. Außerdem kann die relative Bewegungsgeschwindigkeit der Induktionsspule an einem Bereich, der keine große Härte erfordert, auf eine höhere Geschwindigkeit festgelegt sein, um die Aufheiztemperatur des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstands zu verringern. Dadurch wird die zuvor beschriebene Härteverteilung verwirklicht.
In Bezug auf die Steigungsrate der Härteverteilung ist DE 697 07 066 T2 darauf abgestellt, dass sich die Härte nicht plötzlich ändert, sondern dass sie sich so sanft wie möglich vergrößert oder verringert.
Um eine derartige Härteverteilung auszubilden, können neben der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der Abschreckvorrichtung die folgenden Faktoren verwendet werden: ein Frequenzwert und ein Stromwert eines hochfrequenten Stroms, der einer Induktionsspule zugeführt wird, und ferner ein Induktionsstrom, der in den erwärmten Abschnitten des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstandes fließt. Dies bedeutet, dass ein Anstieg eines Induktionsstroms die Joule'sche Wärme erhöht, um den Grad der Induktionswärme zu erhöhen und um die Aufheiztemperatur zu erhöhen, wodurch die Abschreckwirkung gewährleistet ist und die Abschreckhärte größer ist. Andererseits reduziert eine Verringerung eines Induktionsstroms in den erwärmten Abschnitten des durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstands die Joule'sche Wärme, um den Grad der Induktionswärme zu vermindern und um die Aufheiztemperatur zu verringern, wodurch die Abschreckwirkung vermindert ist und die Abschreckhärte verringert ist.
Bei dem durch Pressformgebung ausgebildeten Gegenstand hat die Härteverteilung ein Erhebungsprofil, deren Härte an dem mittleren Bereich, der sich zwischen dem einen Endabschnitt und dem anderen Endabschnitt befindet, am größten ist und dessen Härte sich beim Nähern zum einen Endabschnitt und zum anderen Endabschnitt hin allmählich verringert.
In der DE 697 07 066 T2 ist ein Aufbau zum Abschrecken eines Mittelsäulenarmierungselementes unter Verwendung eines Hochfrequenz-Induktionshärtegerätes beschrieben. Das Hochfrequenz-Induktionshärtegerät weist eine Induktionsspule und eine Wasserspritzvorrichtung auf, die eine röhrenartige Gestalt hat und mit einer Induktionsspule verbunden ist. Hierbei ist das Hochfrequenz-Induktionshärtegerät als ein bewegbares System aufgebaut. Demnach wird das Hochfrequenz-Induktionshärtegerät entlang der Längsrichtung des Mittelsäulenarmierungselementes mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einer Richtung bewegt, während ein hochfrequenter Strom in die Induktionsspule eingespeist wird. Somit wird das Mittelsäulenarmierungselement unter Verwendung der Induktionsspule auf eine hohe Temperatur mittels Induktion erwärmt. Des Weiteren wird aus Ausspritzlöchern der Wasserspritzvorrichtung ausgelassenes Kühlwasser auf die Abschnitte gespritzt, die auf eine hohe Temperatur erwärmt sind, um so die erwärmten Abschnitte aktiv zu kühlen, wodurch ein abgeschreckter Bereich gebildet wird.
Dies ermöglicht ein Einstellen der Härteverteilung des abgeschreckten Bereiches in Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des Hochfrequenz-Induktionshärtegerätes. Genauer gesagt kann die Geschwindigkeit des Hochfrequenz-Induktionshärtegerätes in jenem Bereich des abgeschreckten Bereiches niedrig eingestellt sein, der eine große Härte erfordert. Demnach bewirkt dies einen Anstieg der Induktionswärme, wodurch die Heiztemperatur des Mittelsäulenarmierungselementes so erhöht ist, dass die Abschreckwirkung mit einer größeren Abschreckhärte gewährleistet ist.
Andererseits kann die Geschwindigkeit des Hochfrequenz-Induktionshärtegerätes an dem Bereich des abgeschreckten Bereiches hoch festgelegt sein, der eine niedrige Härte erfordert. Demnach bewirkt dies eine Verringerung der Induktionswärme, wodurch die Heiztemperatur des Mittelsäulenarmierungselementes verringert wird, so dass die Abschreckwirkung mit niedriger Abschreckhärte vermindert ist.
DE 197 23 655 A1:
In der DE 197 23 655 A1 wird das Warmformen eines Stahlblechproduktes offenbart, wobei der Stahl in den Bereichen, in denen er bearbeitet
werden soll, durch Einsätze oder Ausnehmungen im Werkzeug im Flussstahlbereich gehalten wird. Das dort dargelegte Verfahren zur Erzeugung des Stahlblechproduktes umfasst als Verfahrensschritte das Erwärmen eines abgemessenen Stahlbleches, die Warmverformung des Stahlbleches in einem Werkzeugpaar, das Härten des gebildeten Produktes durch schnelles Abkühlen von einer austenitischen Temperatur, während es weiterhin im dem Werkzeugpaar gehalten ist, und dann die Bearbeitung des Produktes.
Das Fertigprodukt aus einem dünnen Blechstahl weist eine relativ komplizierte Form auf und hat drei Löcher, an deren Position hohe Anforderungen gestellt werden. Die Löcher können daher nicht in dem Blech vor der Verformung gebildet werden, sondern müssen nach der Verformung gebildet werden. Das Blech kann beispielsweise 1 bis 3 mm dick sein und das Produkt kann beispielsweise eine Sicherheitsstrebe für Fahrzeugtüren sein.
Das ebene zugeschnittene Blech wird in einem Ofen auf eine Temperatur von mehr als Ac₃, d. h. bis in den austenitischen Bereich geheizt. Das aufgeheizte Blech wird zwischen einem Werkzeugpaar einer Pressformmaschine eingelegt und das Werkzeugpaar klemmt das Blech und formt es in einem Schnellformvorgang. Das Verformen soll nach DE 197 23 655 A1 so schnell ausgeführt werden, dass der Stahl während des Formvorganges nicht härtet. Dann verbleibt das Blech zwischen dem gekühlten Werkzeugpaar, das die Aufgabe der Fixierung nach der Verformung und während des Abkühlens erfüllt. Das Abkühlen findet so schnell statt, dass der Stahl eine geeignete martensitische Struktur aufweist.
In denjenigen Bereichen, in denen die Löcher geschaffen werden sollen, sind in den Werkzeugen Einsätze, vorzugsweise Keramikeinsätze, vorgesehen. Diese Einsätze weisen eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der übrige Teil der Werkzeuge auf, und lassen das Blech in diesen Bereichen langsamer als in den übrigen Bereichen abkühlen. Somit wird das Blech weniger gehärtet, d. h., es ist weniger martensitisch, oder wird in diesen Bereichen überhaupt nicht gehärtet.
Wenn dann die Löcher gestanzt oder in sonstiger Weise gefertigt werden, sind ihre Kanten glatter als wenn sie in einem gehärteten Material gestanzt worden wären. Weiterhin gibt es weniger Mikrorisse. Dies hat eine positive Auswirkung auf die Ermüdungsfestigkeit. Weiterhin wird der Verschleiß der Bearbeitungswerkzeuge verringert.
DE 200 14 361 U1:
Die DE 200 14 361 U1 beschreibt eine einteilige warmgeformte B-Säule mit einem hochfesten oberen Teil und einem dazu relativ duktilen Fuß. Bei der Herstellung werden entweder Teile des Fußes im Ofen gegen die Austenitisierung isoliert oder vor dem Härten ohne Erreichen der kritischen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt.
Die Herstellung der B-Säule erfolgt im Warmformprozess, wobei ausgehend von einer Formplatine oder eines vorgeformten Längsprofils dieses im Ofen austenitisiert, d. h. erwärmt und anschließend in einem gekühlten Werkzeug umgeformt und gehärtet wird.
Gemäß der ersten Alternative des Herstellungsverfahrens nach DE 200 14 361 U1 werden im Ofen großflächige Bereiche der Platine bzw. des vorgeformten Längsprofils gegen die Temperatureinwirkung isoliert. Demzufolge erfahren diese Bereiche keine signifikante Erwärmung, so dass die Temperaturerhöhung insgesamt in diesen Abschnitten deutlich unterhalb der Austenitisierungs-Temperatur liegt. Folglich kann sich dort im gekühlten Werkzeug kein martensitisches Werkstoffgefüge mit den hohen Festigkeiten einstellen. Der Bereich des Säulenfußes der B-Säule weist dann im Wesentlichen das ursprüngliche ferritisch-perlitische Gefüge des Ausgangswerkstoffs auf mit sehr guter Duktilität (Festigkeit ca. 500 N/mm² und Dehnung ca. 20%). Im restlichen Bereich der Bauteilstruktur ist ein überwiegend martensitisches Werkstoffgefüge gegeben mit einer Zugfestigkeit R_m von über 1.400 N/mm².
Gemäß der zweiten Alternative des Herstellungsverfahrens nach DE 200 14 361 U1 wird das Längsprofil zunächst komplett austenitisiert und dann wird dessen zweiter Längenabschnitt, also der spätere Säulenfuß, beim Transport in das Härtungswerkzeug durch gezieltes nicht zu schroffes Abkühlen, beispielsweise durch Anblasen, auf eine Temperatur deutlich unter Austenitisierungs-Temperatur gebracht. Im Härtungswerkzeug stellt sich dann kein reines martensitisches Gefüge ein, sondern ein Mischgefüge mit deutlichen Ferrit/Bainit-Anteilen, welches duktile Eigenschaften besitzt.
Ein Wechsel von Abschnitten mit hohen Festigkeiten und duktilen Abschnitten ist mehrmals an einer B-Säule, die nach der ersten oder der zweiten Verfahrensalternative nach DE 200 14 361 U1 hergestellt ist, möglich.
Bei der B-Säule nach DE 200 14 361 U1 beträgt die Bruchdehnung A im unteren Längenabschnitt bis zu 25%. Infolgedessen weist der zweite Längenabschnitt erkennbar ein plastisches Steifigkeitsverhalten auf. Die B-Säule ist gezielt auf die im Crashfall erforderlichen Eigenschaften abgestimmt. Im ersten oberen Längenabschnitt weist sie eine hohe Festigkeit auf, wohingegen sie im Bereich des zweiten Längenabschnittes, d. h. im Säulenfuß, eine hohe Duktilität besitzt. Die Fertigung der B-Säulen erfolgt aus einer härtbaren Stahllegierung.
Gemäß der zweiten Alternative des Herstellungsverfahrens nach DE 200 14 361 U1 wird hierzu die Formplatine oder das vorgeformte Längsprofil im Ofen austenitisiert und anschließend in dem gekühlten Werkzeug umgeformt und gehärtet. Im Ofen wird der Bereich des Säulenfußes, der am späteren Bauteil duktile Werkstoffeigenschaften aufweisen soll, durch eine Isolierung gegen eine gefügeverändernde Erwärmung geschützt.
DE 10 2005 014 298 B4:
In der DE 10 2005 014 298 B4 wird vorgeschlagen, die Warmformung und Presshärtung für Stahlbauteile einzusetzen, mit denen ein Fahrzeug gepanzert werden soll. Dadurch lassen sich mit wenigen Schweißnähten komplexe Panzerungen mit einer dem Fahrzeug angepassten Kontur herstellen. Außerdem wird eine Legierung vorgeschlagen, die sich für die Herstellung warmgeformter und gehärteter Panzerungen eignet.
In der DE 10 2005 014 298 B4 zugrundeliegenden Untersuchungen werden speziell entwickelte Panzerstahlbleche mit 4 bis 15 mm Wanddicke, vorzugsweise mit 5 bis 6 mm Wanddicke, oberhalb Ac₃ austenitisiert, warm umgeformt und im Werkzeug gehärtet. Mit diesem Prozess ist es möglich, hochfeste Panzerelemente mit höchsten Genauigkeiten herzustellen. Durch die an die Fahrzeuginnenkontur angepasste Form ist es möglich, gewichtsparend zu bauen. Gleichzeitig wird die Zahl der Schweißnähte reduziert, so dass auch die zusätzlichen Schutzmaßnahmen entsprechend reduziert werden können. Um den Panzerstahl zu vergüten, kann er nach dem Härten gemäß DE 10 2005 014 298 B4 angelassen werden.
Die Durchhärtbarkeit der Panzerstahlbleche wird mit Elementen wie z. B. Mangan, Molybdän und Chrom verbessert. Eine hohe Härte lässt sich demgemäß mit den Elementen Kohlenstoff, Silizium und Wolfram einstellen. Speziell Wolfram bildet sehr harte Karbide und erhöht die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit.
In der DE 10 2005 014 298 B4 wird eine Stahllegierung für einen Panzerstahl beansprucht, die ausgedrückt in Gewichtsprozent eine Zusammensetzung von 0,2 bis 0,4% Kohlenstoff (C), 0,3 bis 0,8% Silizium (Si), 1,0 bis 2,5% Mangan (Mn), max. 0,02% Phosphor (P), max. 0,02% Schwefel (S), max. 0,05% Aluminium (Al), max. 2,0% Kupfer (Cu), 0,1 bis 0,5% Chrom (Cr), max. 2,0% Nickel (Ni), 0,1 bis 1,0% Molybdän, 0,001 bis 0,01% Bor (B), 0,01 bis 1,0% Wolfram (W), max. 0,05% Stickstoff (N) und Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen aufweist. Die Stahllegierung besitzt eine Härte von bis zu 580 HV30.
Die Panzerbauteile nach DE 10 2005 014 298 B4 sind darauf ausgelegt, Fahrzeuge gegen ballistischen Beschuss zu wappnen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Panzerbauteile, die zusammen mit geeigneten Verfahren zu deren Herstellung in der DE 10 2005 014 298 B4 offenbart werden, die bereits erwähnten hohen Werte für deren Härte von bis zu 580 HV30 aufweisen. Um nämlich ein Fahrzeug im Hinblick auf ballistischen Beschuss, d. h. auf den Einschlag von Projektilen, die durch Waffen verschossen worden sind, auszulegen, ist es von Vorteil, wenn die Projektile, die von außen auf das Fahrzeug abgefeuert worden sind, beim Auftreffen auf ein Panzerbauteil nach DE 10 2005 014 298 B4 in zahlreiche Projektilteilkörper zertrümmert werden. Die Projektiltrümmer besitzen dann jeweils nur noch einen Bruchteil der kinetischen Energie des Ursprungsprojektils und durchdringen nicht das Panzerbauteil, sondern prallen davon ab, ohne dass sich an der Innenseite des Panzerbauteiles Splitter ablösen, die die Fahrzeuginsassen gefährden könnten.
DE 10 2004 006 093 B3:
In der DE 10 2004 006 093 B3 wird ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Panzerungsbauteils für Fahrzeugkarosserien vorgestellt. In diesem Verfahren werden Stahlplatinen auf Austenitisierungstemperatur aufgeheizt, danach warmumgeformt und abgeschreckt. Die Umformung und das Abkühlen geschehen in einem Werkzeug, wobei das umgeformte Bauteil in vollflächigem Kontakt mit den Werkzeugoberflächen gehalten wird. Das Abkühlen findet im geschlossenen Werkzeug statt.
Dadurch sollen Panzerungsbauteile hergestellt werden, die minimierte Nachbearbeitungserfordernisse aufweisen und äußerst geringe Maßtoleranzen besitzen.
Entsprechend hergestellte Bauteile weisen aber keine Variation von Härte und/oder Duktilität über die Fläche des gesamten Bauteils auf.
DE 27 436 A:
Die Patentschrift DE 27 436 A offenbart eine Herstellungsmethode für Panzerplatten aus Stahlguss. Diese Panzerplatten weisen in den Stahlguss eingebettete Hartgusseisenstücke auf. Die Herstellung kann einerseits dadurch geschehen, dass die Hartgussstücke in Vertiefungen der gegossenen Panzerplatte angepasst werden und die Fugen in einem zusätzlichen Arbeitsschritt mit Gussstahl aufgefüllt werden.
Alternativ können die Hartgusseisenstücke bereits vor dem Guss in der entsprechenden Form positioniert werden und beim Gießen der Panzerplatte in diese eingebettet werden.
Dadurch ist es möglich, eine Panzerplatte herzustellen, die bereichsweise variierende Materialeigenschaften aufweist. Jedoch ist hier durch die vielen Verarbeitungsschritte ein großer Aufwand zu treiben, der nicht zuletzt darin begründet ist, dass die Hartgusseisenstücke äußerst präzise positioniert werden müssen.
DE 21 62 692 A:
Die Druckschrift DE 21 62 692 A schlägt ein flächenförmiges Schutzgebilde vor, das aus einem metallischen Grundmaterial besteht, wobei auf dem metallischen Grundmaterial eine Spritzschicht, die aus anorganischen Hartstoffen besteht, aufgebracht ist. Diese anorganischen Hartstoffe können beispielsweise hochschmelzende Oxide, Carbonide, Nitride, Boride oder Sizilide sein.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Schicht aus anorganischen Hartstoffen durch Stege im metallischen Grundmaterial mindestens partiell unterteilt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform liegt das Schutzgebilde in Form von einschiebbaren oder anhängbaren Platten vor.
Ein entsprechendes Schutzgebilde kann auch als Karosserieteil eines Fahrzeuges ausgebildet sein. Es kommt auch der Einsatz beispielsweise an einer Panzerweste oder als Stahlhelm in Frage.
Auch auf diese Weise ist es möglich, ein Panzerungsbauteil zu schaffen, dass unterschiedliche Bereiche mit voneinander abweichenden Materialeigenschaften in Hinblick auf Duktilität und Festigkeit aufweist. Jedoch basieren diese Eigenschaften auf einem Materialmix, wodurch eine Mehrzahl unterschiedlicher Verfahrensschritte notwendig wird, was die Herstellung wiederum aufwendig gestaltet. Die ebenfalls daraus folgende mehrstückige Ausführung der Schutzgebilde ist ebenfalls als nachteilig zu betrachten.
Demgegenüber sind aus dem Stand der Technik mehrere Verfahren bekannt, die es ermöglichen, Bauteile herzustellen, deren Materialeigenschaften sich graduell ändern.
DE 10 2008 063 985 A1:
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Stahlbauteilen werden in der DE 10 2008 063 985 A1 offenbart, die es ermöglichen, ein Bauteil zumindest teilbereichsweise zu härten.
Die dazu verwendeten Werkzeuge weisen Kühlschalen auf, die mit Ausnehmungen versehen sind, wobei die Ausnehmungen an den Stellen angeordnet sind, an denen die Stahlbauteile eine geringere Härte aufweisen sollen. Diese Ausnehmungen sind mit Gas spülbar, so dass sich in diesen Bereichen Gaspolster ergeben, welche ein Abkühlen mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, vermindert oder ausschließt.
Mit Hilfe solcher Vorrichtungen oder Werkzeugen ist es somit möglich, auch Panzerungsbauteile herzustellen, deren Materialeigenschaften lokal variieren. Über die genaue Ausgestaltung oder Geometrie der in Bilde stehenden Bereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften gibt diese Druckschrift jedoch keine Auskunft.
DE 103 29 981 A1:
Die in der DE 103 29 981 A1 offenbarte Erfindung bezieht sich auf eine Aufprallschutzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die ein Profilteil als Bestandteil aufweist, das für die Absorption von Aufprallenergie zuständig ist. Zu diesem Zweck besitzt das Profilteil Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit. Diese Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit werden durch unterschiedliche Wärmebehandlung der entsprechenden Bereiche des Profilteils erzeugt.
Die Wärmebehandlung kann dabei ein Erwärmen und/oder ein Abkühlen beinhalten, es kann das fertige Profilteil oder ein Halbzeug oder auch nur eine Platine behandelt werden und es können mehrere aufeinander folgende Wärmebehandlungsstufen vorliegen.
Auch hier wird die grundsätzliche Möglichkeit beschrieben, Stahlbauteilbereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften einzubringen, aber auch hier wird nicht näher auf die geometrische Ausgestaltung dieser Bereiche eingegangen. Auch der Bezug zu Panzerungsbauteilen fehlt völlig.
DE 102 12 819 A1:
Ein weiteres Verfahren zum Einbringen von definierten Bereichen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften in ein metallisches Bauteil offenbart die DE 102 12 819 A1 . Hier wird das metallische Bauteil durch Widerstandserwärmung über die Austenitisierungstemperatur erhitzt. Bereiche, die nicht gehärtet werden sollen, sondern duktil verbleiben sollen, werden elektrisch und/oder thermisch überbrückt. Diese Bereiche verbleiben somit unterhalb der Austenitisierungstemperatur.
Mit diesem Verfahren können sowohl Platinen, Halbzeuge oder auch fertige Bauteile behandelt werden.
Nachteile der Ausführungsformen des Standes der Technik
Einerseits sind die aus dem Stand der Technik bekannten zumindest partiell warmgeformten und zumindest partiell gehärteten Formbauteile aus Stahllegierungen entweder überhaupt nicht zur Panzerung von Objekten gegen äußere feindliche Einwirkungen geeignet, oder aber sie sind ausschließlich hinsichtlich ballistischen Beschusses ausgelegt.
Andererseits sind Schutz- bzw. Panzerstähle niedrig legierte Vergütungsstähle mit einer hohen Härte. Nach dem Stand der Technik lässt sich in Abhängigkeit von der Vergütung des Schutz- bzw. Panzerstahls entweder zum Schutz gegen ballistischen Beschuss unter Zertrümmerung eines auf den Schutz- bzw. Panzerstahl einschlagenden Projektils bzw. Geschosses der vorbestimmten Beschussklasse eine hohe Festigkeit des Stahls auf Kosten der Duktilität oder zum Schutz gegen Ansprengung unter Energieverzehr der auf den Schutz- bzw. Panzerstahl einwirkenden Detonationswelle der vorbestimmten Minenschutzklasse eine hohe Duktilität des Stahls bei allerdings verringerter Härte einstellen.
Da eine Stahlpanzerung aufgrund der hohen Materialdichte ein sehr hohes Flächengewicht aufweist, soll aber generell die Wanddicke des Materials für die jeweilige Beschussanforderung möglichst gering gehalten werden, weshalb ein doppel- oder mehrschaliger Aufbau der gesamten Panzerung aus zumindest zwei oder mehreren Schichten von Schutz- bzw. Panzerstählen, deren mindestens zwei verschiedenen Schichten einerseits ausschließlich eine hohe Festigkeit bei verringerter Duktilität und andererseits ausschließlich eine hohe Duktilität bei verringerter Festigkeit aufweisen, nur bedingt geeignet ist. Im besonderen Maße macht sich dabei der Umstand, dass ein doppel- oder mehrschaliger Aufbau aus derartig ausgelegten Schichten von Schutz- bzw. Panzerstählen zu massiven Gewichtssteigerungen führt, bei der Panzerung von zivilen Sonderschutzfahrzeugen nachteilig bemerkbar.
Um aber den aktuellen Anforderungen an die Panzerungstechnik von Objekten gerecht werden zu können, ist es erforderlich, die Panzerung des Objektes neben der Auslegung auf Schutz gegen ballistischen Beschuss auch hinsichtlich des Schutzes gegen Ansprengungen durch Explosionswaffen auszulegen, die ihre Zerstörungswirkung vor allem durch die bei der Explosion entstehende Detonationswelle hervorrufen. Die Zerstörungswirkung der Detonationswelle, d. h. der durch die Explosion erzeugten Druckwelle, derartiger Explosionswaffen beruht dabei auf wesentlich anderen Prinzipien als die Zerstörungswirkung eines auftreffenden ballistischen Projektils. Die Zerstörungswirkung dieser letztgenannten Explosionswaffen wird in Fachkreisen auch unter dem Stichwort Minenwirkung thematisiert.
Die Notwendigkeit, die Panzerung eines Objektes neben dem Schutz gegen ballistischen Beschuss auch hinsichtlich des Schutzes gegen Ansprengungen durch Explosionswaffen auszulegen, ist insbesondere im Falle von Landfahrzeugen in hohem Maße darin begründet, dass sowohl innerhalb von militärischen (Stichwort: asymmetrische Kriegsführung) als auch zivilen Spannungs- und Konfliktgebieten die Bedrohung durch sogenannte unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtungen (USBV), die in der Fachliteratur auch unter dem englischen Begriff Improvised Explosive Devices (IED) behandelt werden, immer mehr zunimmt. Eine USBV ist eine nicht industriell, häufig von Experten hergestellte Brand- oder Sprengladung, die eine Explosion oder einen Brand herbeiführen kann.
Aufgabenstellung
Ausgehend vom eingangs beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Panzerung eines Objektes zu schaffen, wobei die Panzerung zum Schutz sowohl gegen ballistischen Beschuss als auch gegen Ansprengung ausgelegt ist.
Lösung der Aufgabe
Die genannte Aufgabe wird gegenständlich durch ein Formbauteil mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2 bzw. durch die Kombination eines zu schützenden Kraftfahrzeuges mit einem oder mehreren Formbauteilen nach Anspruch 30, im Hinblick auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Formbauteiles durch den Gegenstand von Anspruch 31 und verfahrensmäßig durch ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Formbauteil mit den Merkmalen von Anspruch 32 oder 33 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen, die von den zuvor genannten unabhängigen bzw. nebengeordneten Ansprüchen abhängig sind.
Ausgehend von einer Platine bestehend aus bzw. umfassend eine(r) Stahllegierung oder mehrere(n) Stahllegierungen ist ein Schritt des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Panzerungsbauteiles eine zumindest partielle Warmformung der Platine, die eine im Wesentlichen plane Form besitzt und bei der es sich somit um ein im Wesentlichen in zwei Dimensionen erstreckendes Element handelt. Die Platine wird im Zuge ihrer formgebenden Be- bzw. Verarbeitung derart umgeformt, dass es als ein dreidimensional geformtes Element vorliegt. Jedoch sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch diejenigen Fallgestaltungen mit erfasst, bei denen sich das Panzerungsbauteil – ebenso wie die zu be- bzw. verarbeitende Platine – im Wesentlichen in zwei Dimensionen erstreckt. Im Folgenden wird dabei ohne Beschränkung der Erfindung im Rahmen der Erfindungsbeschreibung davon ausgegangen, dass eine in drei Dimensionen formgebende Be- bzw. Verarbeitung der Ausgangsplatine vorliegt.
Der formgebende Be- bzw. Verarbeitungsprozess, in dessen Verlaufe die Platine be- bzw. verarbeitet wird, ist derart eingerichtet, dass das dadurch erhaltene Element eine im Wesentlichen flächenhafte Struktur aufweist. Dabei erstreckt sich diese flächenhafte Struktur des erhaltenen Elementes aber im Unterschied zur im Wesentlichen planen Struktur der Ausgangsplatine in allen drei Raumdimensionen. Die Durchführung des formgebenden Be- bzw. Verarbeitungsprozesses kann durchaus mehrere Teilumformschritte umfassen.
Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass beim Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Panzerungsbauteiles von einer noch zu formenden Platine ausgegangen wird. Vielmehr kann im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auch ein vorgeformtes oder ein vollständig ausgeformtes Bauteil zum erfindungsgemäßen Panzerungsbauteil weiterverarbeitet werden. Dabei sind auch Fallgestaltungen möglich, in denen das weiterzuverarbeitende Bauteil zu einem Teil vorgeformt und zum restlichen Teil vollständig ausgeformt ist. Im Folgenden wird ein derart weiterzuverarbeitendes Bauteil als Ausgangsbauteil bezeichnet.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass der oder die Stahlanteile der Platine oder des Ausgangsbauteiles im Verlaufe des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren zumindest partiell warmgeformt und zumindest partiell pressgehärtet und anschließend gegebenenfalls angelassen werden.
Nach einem weiteren Kerngedanken der vorliegenden Erfindung umfasst das Panzerungsbauteil nach Abschluss des zumindest partiellen Warmformens und zumindest partiellen Presshärtens und eventuell anschließenden Anlassens seiner Stahlanteile eine Vielzahl bzw. Mehrzahl flächiger Bereiche, in denen das Panzerungsbauteil eine in Relation zu den übrigen Anteilen des fertig umgeformten und/oder gehärteten Panzerungsbauteiles deutlich erhöhte Härte aufweist. Im Folgenden werden diese flächigen Bereiche als Teilbereiche erhöhter Härte bezeichnet.
Es ist auch denkbar, dass bei der zuvor genannten Vielzahl flächiger Bereiche nicht nur eine einzige deutlich erhöhte Härte, im Sinne nur eines einzigen Härtewertes vorliegt, sondern es liegen mehrere unterschiedliche, dabei aber deutlich erhöhte Härten, im Sinne von mehreren Härtewerten, die aber größer als die Härte(n) der diese flächigen Bereiche umgebenden Netzstruktur sind, vor.
Im Folgenden wird der Begriff Teilfläche erhöhter Härte für die Fläche eines einzelnen Teilbereiches erhöhter Härte benutzt, um den Unterschied zur Fläche des dreidimensional geformten Bauteiles kenntlich zu machen.
Bei einer derartigen einfach zusammenhängenden Teilfläche erhöhter Härte wird es sich vorteilhafterweise um eine konvexe Fläche handeln. Das Merkmal, dass die Teilfläche erhöhter Härte als konvexe Teilfläche vorliegt, bedeutet, dass, wenn je zwei beliebige Punkte zur Teilfläche gehören, auch stets deren Verbindungsstrecke ganz innerhalb der Teilfläche liegt und somit die Teilfläche an keiner Stelle eine konkave Einbuchtung hat.
Im Hinblick auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Panzerungsbauteiles wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Begriffskonvention zugrunde gelegt: Für den Fall, dass das erfindungsgemäße Panzerungsbauteil und/oder ein einzelner Teilbereich erhöhter Härte im Wesentlichen unter dem Aspekt seiner flächenbezogenen Eigenschaften betrachtet werden, wird von der Fläche des Panzerungsbauteiles bzw. von der Teilfläche erhöhter Härte des (betrachteten) Teilbereiches erhöhter Härte gesprochen.
Für den Fall dagegen, dass ein einzelner Teilbereich erhöhter Härte im Wesentlichen unter dem Aspekt seiner raumbezogenen Eigenschaften betrachtet wird, wird von der Dicke des (betrachteten) Teilbereiches erhöhter Härte gesprochen.
Da jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte (im topologischen Sinne) einfach zusammenhängend ist, wird jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte – abgesehen von solchen Teilflächen erhöhter Härte, die zu den unmittelbaren Außenflächen des gesamten Panzerungsbauteiles zu zählen sind bzw. die Außenrandfläche bzw. die Außenumrandung des gesamten Panzerungsbauteiles schneiden bzw. mit dieser überlappen bzw. einen integralen Bestandteil derselben bilden – komplett von den übrigen Flächenanteilen des Panzerungsbauteiles eingeschlossen.
Außerdem wird aus demselben Grunde jeder einzelne Teilbereich erhöhter Härte – abgesehen von denjenigen Anteilen des betrachteten Teilbereiches erhöhter Härte, die zu den unmittelbaren Außenflächen bzw. Außenbereichen des gesamten Panzerungsbauteiles zu zählen sind – komplett von den übrigen Bereichen des Panzerungsbauteiles eingeschlossen.
Um das Verständnis der Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird für die weitere Beschreibung folgende Sprech- bzw. Ausdrucksweise vereinbart: Sofern von jeder einzelnen Teilfläche bzw. jedem einzelnen Teilbereich erhöhter Härte die Rede ist, ist eine Teilfläche bzw. ein Teilbereich erhöhter Härte gemeint, die bzw.. der nicht zu den unmittelbaren Außenflächen bzw. -bereichen des gesamten Panzerungsbauteiles zu zählen ist und damit komplett von den übrigen Flächenanteilen bzw. Bereichen des Panzerungsbauteiles eingeschlossen ist. Sofern dagegen eine solche Teilfläche bzw. ein solcher Teilbereich erhöhter Härte gemeint ist, die bzw. der zu den unmittelbaren Außenflächen bzw. -bereichen des gesamten Panzerungsbauteiles zu zählen ist, wird ausdrücklich von einer bzw. einem die Außenflächen bzw. -bereiche (des Panzerungsbauteiles) schneidenden Teilfläche bzw. Teilbereich erhöhter Härte die Rede sein.
Weil jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte komplett von den übrigen Flächenanteilen des Panzerungsbauteiles eingeschlossen wird, befindet sich zwischen jeweils zwei benachbarten Teilflächen erhöhter Härte immer einer der übrigen Flächenanteile des Panzerungsbauteiles, der nicht zu den Teilflächen erhöhter Härte zu zählen ist.
Ein weiterer Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass diese übrigen Flächenanteile des Panzerungsbauteiles, die nicht zu den Teilflächen erhöhter Härte zu zählen sind, in Relation zu diesen Teilflächen erhöhter Härte eine deutlich niedrigere Härte, dafür aber in Relation zu den Teilflächen erhöhter Härte deutlich erhöhte Duktilität aufweisen.
Es ist auch denkbar, dass bei den zuvor genannten übrigen Anteile des Panzerungsbauteiles nicht nur eine einzige deutlich erhöhte Duktilität, im Sinne nur eines einzigen Duktilitätswertes vorliegt, sondern es liegen mehrere unterschiedliche, dabei aber deutlich erhöhte Duktilitäten, im Sinne von mehreren Duktilitätswerten, die aber größer als die Duktilität(en) der Teilbereiche erhöhter Härte sind, vor.
Im Folgenden werden diejenigen Flächenanteile des Panzerungsbauteiles, die nicht zu den Teilflächen erhöhter Härte zu zählen sind, als Teilflächen erhöhter Duktilität bezeichnet.
Diejenigen Bereiche des Panzerungsbauteiles, die nicht zu den Teilbereichen erhöhter Härte zu zählen sind, weisen ferner eine erhöhte Duktilität auf, weshalb diese Bereiche im Folgenden als Teilbereiche erhöhter Duktilität bezeichnet werden.
Nach einem zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung sind die Teilflächen erhöhter Duktilität über die gesamte flächige Ausdehnung des Panzerungsbauteiles hinweg alle miteinander verbunden. Jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte stellt dabei also eine Durchbrechung der bzw. einen Durchstoß durch die gesamte zusammenhängende Fläche dar, die durch die miteinander verbundenen Teilflächen erhöhter Duktilität gebildet wird. Damit liegt also – betrachtet über das gesamte Panzerungsbauteil hinweg – eine zusammenhängende Netzstruktur vor, die aus demjenigen Anteil des zumindest partiell warmgeformten und zumindest partiell pressgehärteten und gegebenenfalls anschließend angelassenen Panzerungsbauteiles gebildet wird, der die deutlich niedrigere Härte und zugleich die deutlich erhöhte Duktilität aufweist.
Vor dem Hintergrund der Eigenschaft der zusammenhängenden Netzstruktur werden im Folgenden statt des Begriffes „Teilbereiche erhöhter Duktilität” der Begriff „Teilbereich erhöhter Duktilität” und statt des Begriffes „Teilflächen erhöhter Duktilität” der Begriff „Teilfläche erhöhter Duktilität” verwendet. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass es sich bei dieser Netzstruktur durchaus um eine völlig unregelmäßige Netzstruktur handeln kann, bei der also nicht zwingend ein sich wiederkehrendes Muster erkennbar sein muss. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Panzerungsbauteiles eine geometrische Regelmäßigkeit bei der Anordnung der Teilflächen erhöhter Härte und/oder bei der bzw. den Flächenform(en) der einzelnen Teilflächen erhöhter Härte und damit auch eine geometrische Regelmäßigkeit bei der Netzstruktur der Teilfläche erhöhter Duktilität zum Gegenstand haben.
Ein zentraler Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass durch das Vorsehen der Teilbereiche erhöhter Härte beim erfindungsgemäßen Panzerungsbauteil erreicht wird, dass das zu panzernde Objekt gegen ballistischen Beschuss durch Projektile bzw. Geschosse der vorbestimmten Beschussklasse geschützt ist. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass die Teilbereiche erhöhter Härte eine derart hohe Härte aufweisen bzw. die Härten der Teilbereiche erhöhter Härte innerhalb eines Intervalls mit einem derart großen Wert für seine untere Intervallgrenze liegen, dass ein auftreffendes Projektil bzw. Geschoss der vorbestimmten Beschussklasse in zahlreiche Projektilteilkörper zertrümmert wird. Die dadurch erzeugten Projektiltrümmer besitzen dann jeweils nur noch einen Bruchteil der kinetischen Energie des Ursprungsprojektils und durchdringen nicht das Panzerungsbauteil, sondern prallen davon ab, ohne dass Durchbrechungen am bzw. im Panzerungsbauteil entstanden sind und ohne dass sich an der gegenüberliegenden Seite des Panzerungsbauteiles Splitter ablösen, die eine Gefährdung für das gepanzerte Objekt oder dadurch zu schützende Personen darstellen könnten.
Nach einem weiteren zentralen Gedanken der Erfindung sind die Flächenausmaße der jeweiligen einzelnen Teilflächen erhöhter Härte und der Teilfläche erhöhter Duktilität derart gewählt, dass das Panzerungsbauteil – global betrachtet über seine gesamte Flächenerstreckung – solche Panzerungseigenschaften aufweist, die gewährleisten, dass außerdem Schutz gegen Ansprengungen durch Explosionswaffen besteht, die ihre Zerstörungswirkung vor allem durch die bei der Explosion entstehenden Detonationswelle (Stichwort: Minenwirkung; s. o.) hervorrufen.
Schutz gegen Ansprengungen wird gemäß der vorliegenden Erfindung nämlich dadurch erreicht, dass das Panzerungsbauteil als Ganzes gesehen einen ausreichend großen Duktilitätswert besitzt. Dabei wird im Folgenden im Zusammenhang mit denjenigen Härte- und Duktilitätseigenschaften, die das Panzerungsbauteil als Ganzes gesehen aufweist, der Begriff der globalen Härte- und Duktilitätseigenschaft verwendet, wobei der dazu komplementäre Begriff der der lokalen Härte- und Duktilitätseigenschaft ist. Denn durch die Ausgestaltung des Panzerungsbauteiles als ein Bauteil mit ausreichend großer globaler Duktilität ist sichergestellt, dass sich die Fläche des Panzerungsbauteiles im Falle einer Ansprengung mit einer Sprengkraft, gegenüber der das Objekt durch das bzw. die erfindungsgemäße(n) Panzerungsbauteil(e) (ausreichenden) Schutz bieten soll, zumindest zu einem gewissen Anteil bzw. hauptsächlich in Ausbreitungsrichtung der Detonationswelle durchbeult, ohne dass Risse oder Durchbrechungen am bzw. im Panzerungsbauteil entstehen und ohne dass sich an der gegenüberliegenden Seite des Panzerungsbauteiles Splitter ablösen, die eine Gefährdung für das gepanzerte Objekt oder dadurch zu schützende Personen darstellen könnten.
Diese Durchbeulung findet üblicherweise unter einem gewissen zeitlichen Versatz bzw.. Verzug statt und kann zu einer rein dynamischen Beulung bzw. Durchbiegung oder einer rein plastischen Beulung oder einer Beulung mit einem dynamischen sowie einem plastischen Anteil führen. Aufgrund der hohen globalen Duktilität des Panzerungsbauteiles im Allgemeinen und der Beulung des Panzerungsbauteiles im Besonderen kommt es zu einem Verzehr der einwirkenden Detonationsenergie.
Ein Faktor, durch den eine ausreichende globale Duktilität des Panzerungsbauteiles im Hinblick auf Schutz gegen Ansprengung erreicht wird, ist, dass die Teilbereiche erhöhter Duktilität eine ausreichend hohe Duktilität aufweisen bzw. die Duktilitäten der Teilbereiche erhöhter Duktilität innerhalb eines Intervalls mit einem ausreichend großen Wert für seine untere Intervallgrenze liegen.
Ein weiterer Faktor, durch den eine ausreichende globale Duktilität des Panzerungsbauteiles im Hinblick auf Schutz gegen Ansprengung erreicht wird, ist, dass der Volumen- und/oder Oberflächenanteil des Teilbereiches erhöhter Duktilität in Relation zu den Teilbereichen erhöhter Härte einen ausreichend großen Mindestwert aufweist.
Ein weiterer zentraler Aspekt der Erfindung besteht darin, dass beim erfindungsgemäßen Panzerungsbauteil der größte Abstand einer jeden einzelnen Teilfläche erhöhter Härte zu jeder dazu benachbarten Teilfläche erhöhter Härte maximal das Anderthalbfache derjeniger Kaliber von Projektilen bzw. Geschossen sowie derjeniger Querschnittsmaße von Trümmern von Projektilen bzw. Geschossen oder von von einer Explosion herrührenden Splittern sind, auf die das Panzerungsbauteil in der jeweils vorbestimmten Beschuss- und/oder Minenschutzklasse ausgelegt ist.
Erfinderseitig hat man am erfindungsgemäßen Panzerungsbauteil überraschenderweise festgestellt, dass an einer beliebigen Stelle der Teilfläche erhöhter Duktilität von den dazu benachbarten Teilflächen erhöhter Härte auf diese Stelle der Teilfläche erhöhter Duktilität ein Abstützungs- oder Verstärkungseffekt ausgeübt wird. Daher kann beim Panzerungsbauteil unter Einhaltung der zuvor beschriebenen Panzerungs- bzw. Schutzanforderungen der vorbestimmten Beschuss- und/oder Minenschutzklasse der zuvor beschriebene größte Abstand zwischen zwei benachbarten Teilflächen erhöhter Härte bis zum Anderthalbfachen der relevanten Projektilkaliber sowie Trümmer- und Splitterquerschnittsmaße ausgedehnt werden.
Angemerkt sei in diesem Zusammenhang, dass Projektiltrümmer oder Splitter, die kleinere als diese zuvor genannten Querschnittsmaße aufweisen, aufgrund der damit zusammenhängenden geringeren Volumen und somit geringeren Massen der Projektiltrümmer oder Splitter und deren daraus resultierenden geringeren kinetischen Energien, die die eintreffenden Projektiltrümmer oder Splitter bei deren Einschlag auf das Panzerungsbauteil aufweisen, eben wegen der daraus folgenden Einbringung bzw. Übertragung von geringeren kinetischen Energien in bzw. auf das Panzerungsbauteil dann auch in den Teilbereichen erhöhter Duktilität aufgefangen werden oder von den Teilflächen erhöhter Duktilität abprallen, ohne dass Risse oder Durchbrechungen am bzw. im Panzerungsbauteil entstehen und ohne dass sich an der gegenüberliegenden Seite des Panzerungsbauteiles Splitter ablösen, die eine Gefährdung für das gepanzerte Objekt oder dadurch zu schützende Personen darstellen könnten.
Insbesondere ist der größte Abstand benachbarter Teilflächen erhöhter Härte beim erfindungsgemäßen Panzerungsbauteil so klein vorgesehen, dass dieser größte Abstand kleiner als das Kaliber des kleinsten Projektils bzw. Geschosses ist, gegenüber dem das Objekt durch das erfindungsgemäße Panzerungsbauteil oder durch eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Panzerungsbauteilen in der jeweiligen Beschussklasse Schutz bieten soll.
Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Panzerungsbauteil derart ausgebildet, dass der größte Abstand einer jeden einzelnen Teilfläche erhöhter Härte zu jeder dazu benachbarten Teilfläche erhöhter Härte mindestens so klein ist, dass dieser größte Abstand zumindest kleiner als diejenigen Kaliber von Projektilen bzw. Geschossen und kleiner als diejenigen Querschnittsmaße von Trümmern von Projektilen bzw. Geschossen oder von von einer Explosion herrührenden Splittern sind, auf die das Panzerungsbauteil in der jeweils vorbestimmten Beschuss- und/oder Minenschutzklasse ausgelegt ist.
Dabei ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass beim erfindungsgemäßen Panzerungsbauteil auf zwei- oder mehrschalige Bauweisen bzw. Anordnungen von Panzerungselementen verzichtet werden kann. Denn derartige zwei- oder mehrschalige Bauweisen bzw. Anordnungen von Panzerungselementen sind mit höherem Aufwand in puncto Material, Konstruktion und/oder Kosten verbunden.
Es ist bevorzugt, dass für jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte, die nicht die Außenrandfläche des Formbauteiles schneidet, oder zumindest einer überwiegenden Anzahl davon, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Umfang einer einzelne Teilfläche erhöhter Härte innerhalb eines Intervalls von 15 bis 1.000 mm, bevorzugt von 30 bis 500 mm, besonders bevorzugt von 50 bis 400 mm, äußerst bevorzugt von 100 bis 300 mm, liegt.
Es ist im Übrigen dem Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet der Technik selbstverständlich klar, dass die Übergänge zwischen einem Teilbereich erhöhter Härte und dem Teilbereich erhöhter Duktilität nicht abrupt bzw. schlagartig verlaufen. Vielmehr liegen hier immer gewisse Übergangsbereiche vor, die u. a. auch von der Dicke des Formbauteiles abhängen und in denen der Wechsel von erhöhter Härte zu erhöhter Duktilität ablaufen.
Die Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung eines Formbauteiles, die die in unabhängigen oder davon abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung genannten Merkmale aufweisen.
Dabei läuft das Herstellungsverfahren gemäß einer ersten Alternative, wie folgt ab:
Es wird zunächst eine nicht vorgeformte Platine, die eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, oder ein aus einer Platine zumindest partiell vorgeformtes Ausgangsbauteil, das eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, bereitgestellt. Dabei handelt es sich bei der oder den Stahllegierung(en) um eine oder mehrere Schutz- oder Panzerstahllegierung(en).
Der Übersichtlichkeit halber wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit nur von der Platine die Rede sein.
Diese Platine wird zunächst auf Temperaturen erwärmt, die für das nachfolgende Warmformen und Presshärten geeignet sind.
Bei einer ersten Variante der ersten Verfahrensalternative werden diejenigen ersten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Härte des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₁ erwärmt, die oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur liegt. Außerdem werden diejenigen zweiten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Duktilität des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₂ erwärmt, die oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur, aber unterhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur, liegt.
Diese Erwärmung der Platine auf lokal unterschiedliche Temperaturen kann beispielsweise durch eine lokal unterschiedlich starke Kontakterwärmung, durch das Vorsehen von Abdeckungen, insbesondere aus Keramik, auf bzw. an der Platine während des Wärmprozesses oder durch lokal unterschiedlich starke induktive Erwärmung erreicht werden. Dabei können diese genannten lokalen Erwärmungstechniken auch bei den anderen Varianten dieser ersten Verfahrensalternative oder bei Mischformen der ersten, zweiten und/oder dritten Verfahrensalternative angewandt werden.
Anschließend wird die Platine in einem Presswerkzeug warmgeformt und im direkten Anschluss daran über den im Wesentlichen gesamten warmgeformten Bereich der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit v, die mindestens größer oder gleich der werkstückspezifischen, für die Martensit-Bildung geltenden unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit v_ukrit ist, noch im Presswerkzeug pressgehärtet.
Dabei sind die Temperaturen T₁ und T₂, die Abkühlgeschwindigkeit v und die Dauer der Presshärtung derart aufeinander abgestimmt, dass im Verlaufe der Presshärtung in den ersten Bereichen soviel mehr Martensit als in den zweiten Bereichen entstanden ist, dass die ersten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Härte und die zweiten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Duktilität im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden. Durch diese Teilbereiche erhöhter Härte werden die Teilflächen erhöhter Härte und durch die Teilbereiche erhöhter Duktilität die Teilflächen erhöhter Duktilität gebildet.
Bei einer zweiten Variante der ersten Verfahrensalternative werden diejenigen ersten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Härte des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₁ erwärmt, die oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur, aber unterhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur, liegt. Außerdem werden diejenigen zweiten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Duktilität des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₂ erwärmt, die oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur, aber unterhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur, liegt, wobei aber T₁ größer als T₂ ist.
Anschließend wird die Platine in einem Presswerkzeug warmgeformt und im direkten Anschluss daran über den im Wesentlichen gesamten warmgeformten Bereich der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit v, die mindestens größer oder gleich der werkstückspezifischen, für die Martensit-Bildung geltenden unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit V_ukrit ist, noch im Presswerkzeug pressgehärtet.
Dabei sind die Temperaturen T₁ und T₂, die Abkühlgeschwindigkeit v und die Dauer der Presshärtung derart aufeinander abgestimmt, dass im Verlaufe der Presshärtung in den ersten Bereichen soviel mehr Martensit als in den zweiten Bereichen entstanden ist, dass die ersten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Härte und die zweiten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Duktilität im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden. Durch diese Teilbereiche erhöhter Härte werden die Teilflächen erhöhter Härte und durch die Teilbereiche erhöhter Duktilität die Teilflächen erhöhter Duktilität gebildet.
Bei einer dritten Variante der ersten Verfahrensalternative werden diejenigen ersten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Härte des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₁ erwärmt, die oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur liegt. Außerdem werden diejenigen zweiten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Duktilität des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₂ erwärmt, die unterhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur liegt.
Anschließend wird die Platine in einem Presswerkzeug warmgeformt und im direkten Anschluss daran über den im Wesentlichen gesamten warmgeformten Bereich der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit v, die mindestens größer oder gleich der werkstückspezifischen, für die Martensit-Bildung geltenden unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit v_ukrit ist, noch im Presswerkzeug pressgehärtet.
Dabei sind die Temperaturen T₁ und T₂, die Abkühlgeschwindigkeit v und die Dauer der Presshärtung derart aufeinander abgestimmt, dass im Verlaufe der Presshärtung in den ersten Bereichen genügend viel Martensit entstanden ist, während in den zweiten Bereichen kein Martensit entstanden ist, so dass die ersten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Härte und die zweiten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Duktilität im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden. Durch diese Teilbereiche erhöhter Härte werden die Teilflächen erhöhter Härte und durch die Teilbereiche erhöhter Duktilität die Teilflächen erhöhter Duktilität gebildet.
Bei einer vierten Variante der ersten Verfahrensalternative werden diejenigen ersten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Härte des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₁ erwärmt, die oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur, aber unterhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur, liegt. Außerdem werden diejenigen zweiten Bereiche der Platine, die an die Teilflächen erhöhter Duktilität des später fertigen Formbauteiles angrenzen werden, auf eine Temperatur T₂ erwärmt, die unterhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur liegt.
Anschließend wird die Platine in einem Presswerkzeug warmgeformt und im direkten Anschluss daran über den im Wesentlichen gesamten warmgeformten Bereich der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit v, die mindestens größer oder gleich der werkstückspezifischen, für die Martensit-Bildung geltenden unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit v_ukrit ist, noch im Presswerkzeug pressgehärtet.
Dabei sind die Temperaturen T₁ und T₂, die Abkühlgeschwindigkeit v und die Dauer der Presshärtung derart aufeinander abgestimmt, dass im Verlaufe der Presshärtung in den ersten Bereichen genügend viel Martensit entstanden ist, während in den zweiten Bereichen kein Martensit entstanden ist, so dass die ersten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Härte und die zweiten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Duktilität im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden. Durch diese Teilbereiche erhöhter Härte werden die Teilflächen erhöhter Härte und durch die Teilbereiche erhöhter Duktilität die Teilflächen erhöhter Duktilität gebildet.
Gemäß einer zweiten Alternative läuft das Herstellungsverfahren, wie folgt ab: Es wird zunächst eine nicht vorgeformte Platine, die eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, oder ein aus einer Platine zumindest partiell vorgeformtes Ausgangsbauteil, das eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, bereitgestellt. Dabei handelt es sich bei der oder den Stahllegierung(en) um eine oder mehrere Schutz- oder Panzerstahllegierung(en).
Diese Platine wird zunächst auf eine Temperatur T erwärmt, die zumindest oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur, insbesondere oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur, liegt.
Anschließend wird die Platine in einem Presswerkzeug warmgeformt und im direkten Anschluss daran in ersten warmgeformten Bereichen der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit v₁, die mindestens größer oder gleich der werkstückspezifischen, für die Martensit-Bildung geltenden unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit v_ukrit ist, und in zweiten warmgeformten Bereichen der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit v₂, die mindestens kleiner als die werkstückspezifische, für die Martensit-Bildung geltende oberen kritischen Abkühlgeschwindigkeit v_okrit ist, wobei aber v₁ größer als v₂ ist, noch im Presswerkzeug pressgehärtet.
Diese lokal unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten im Presswerkzeug können beispielsweise durch Oberflächenkühlkanäle im Presswerkzeug, durch das Vorsehen von lokalen Pressbereichen im Presswerkzeug mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten, insbesondere unter Einsatz von Keramikeinsätzen, oder durch das Vorsehen von lokalen Pressbereichen im Presswerkzeug, die durch induktive Elemente erwärmt werden, erreicht werden. Dabei können diese genannten lokalen Erwärmungstechniken auch bei Mischformen der ersten, zweiten und/oder dritten Verfahrensalternative angewandt werden.
Dabei sind die Temperatur T, die Abkühlgeschwindigkeiten v₁ und v₂ und die Dauer der Presshärtung derart aufeinander abgestimmt, dass im Verlaufe der Presshärtung in den ersten Bereichen soviel mehr Martensit als in den zweiten Bereichen entstanden ist, wobei in den zweiten Bereichen in Abhängigkeit von v₂ auch gar kein Martensit entstanden sein kann, dass die ersten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Härte und die zweiten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Duktilität im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden. Durch diese Teilbereiche erhöhter Härte werden die Teilflächen erhöhter Härte und durch die Teilbereiche erhöhter Duktilität die Teilflächen erhöhter Duktilität gebildet.
Gemäß einer dritten Alternative läuft das Herstellungsverfahren, wie folgt ab:
Es wird zunächst eine nicht vorgeformte Platine, die eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, oder ein aus einer Platine zumindest partiell vorgeformtes Ausgangsbauteil, das eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, bereitgestellt. Dabei handelt es sich bei der oder den Stahllegierung(en) um eine oder mehrere Schutz- oder Panzerstahllegierung(en).
Diese Platine wird zunächst auf eine Temperatur T erwärmt, die zumindest oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₁-Temperatur, insbesondere oberhalb der werkstückspezifische(n) Ac₃-Temperatur, liegt.
Anschließend wird die Platine in einem Presswerkzeug warmgeformt und im direkten Anschluss daran über den im Wesentlichen gesamten warmgeformten Bereich der Platine mit einer Abkühlgeschwindigkeit v, die mindestens größer oder gleich der werkstückspezifischen, für die Martensit-Bildung geltenden unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit v_ukrit ist, noch im Presswerkzeug pressgehärtet.
Im Anschluss daran wird das aus dem Presswerkzeug entnommene Formbauteil in ersten warmgeformten Bereichen der Platine auf eine erste Anlasstemperatur T_A1 mit einer ersten Anlassdauer Δt_A1 und in zweiten warmgeformten Bereichen der Platine auf eine zweite Anlasstemperatur T_A2 mit einer zweiten Anlassdauer Δt_A2 angelassen, wobei die erste Anlasstemperatur T_A1 kleiner als die zweite Anlasstemperatur T_A2 und/oder die erste Anlassdauer Δt_A1 kleiner als die zweite Anlassdauer Δt_A2 ist bzw. sind.
Das Anlassen der Platine mit unterschiedlichen Anlasstemperaturen T_A1 und T_A2 sowie Anlassdauern Δt_A1 und Δt_A2 kann beispielsweise durch eine lokal unterschiedlich starke Kontakterwärmung, durch das Vorsehen von Abdeckungen, insbesondere aus Keramik, auf bzw. an dem Formbauteil während des Anlassens oder durch lokal unterschiedlich starke induktive Erwärmung erreicht werden. Dabei können diese genannten lokalen Erwärmungstechniken auch bei Mischformen der ersten, zweiten und/oder dritten Verfahrensalternative angewandt werden.
Dabei sind die Temperatur T, die Abkühlgeschwindigkeit v, die Dauer der Presshärtung und die Anlasstemperaturen T_A1 und T_A2 sowie die Anlassdauern Δt_A1 und Δt_A2 derart aufeinander abgestimmt, dass im Verlaufe des Anlassens in den zweiten Bereichen im Vergleich zu den ersten Bereichen die Härte soweit erniedrigt und die Duktilität soweit erhöht werden, dass die ersten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Härte und die zweiten Bereiche die Teilbereiche erhöhter Duktilität im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden. Durch diese Teilbereiche erhöhter Härte werden die Teilflächen erhöhter Härte und durch die Teilbereiche erhöhter Duktilität die Teilflächen erhöhter Duktilität gebildet.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die drei genannten Verfahrensalternativen untereinander kombiniert werden können, und zwar kann die erste mit der zweiten Verfahrensalternative, die erste mit der dritten Verfahrensalternative oder die zweite mit der dritten Verfahrensalternative oder auch die erste mit der zweiten und dritten Verfahrensalternative kombiniert werden.
Konkrete Ausführungsform
Nachfolgend wird die Erfindung in drei vorteilhaften Ausführungsformen anhand von Figuren erläutert:
1: Eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Formbauteil gemäß einer ersten Ausführungsform.
2: Einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Formbauteil nach 1.
3: Einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Formbauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform.
4: Einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Formbauteil gemäß einer dritten Ausführungsform.
In 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formbauteiles in Draufsicht dargestellt. Das Formbauteil 1 weist eine Vielzahl von Teilflächen erhöhter Härte 2 und eine Teilfläche erhöhter Duktilität 3 auf. Alle Teilflächen erhöhter Härte 2 des Formbauteiles 1 haben eine quadratische Flächenform. Außerdem sind alle Teilflächen erhöhter Härte 2 schachbrettmusterartig angeordnet. Die Teilfläche erhöhter Duktilität 3 verläuft als Gitter mit quadratischen Gitterflächen, wobei sich an jeder Gitterfläche eine Teilflächen erhöhter Härte 2 befindet. Jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte 2 wird komplett von der Teilfläche erhöhter Duktilität 3 eingeschlossen.
2 zeigt das Formbauteil 1 aus 1 im Querschnitt. Es ist zu erkennen, dass die Teilflächen erhöhter Härte 2 nur auf einer ersten Flächenseite des Formbauteiles 1 vorhanden sind. Die an die Teilflächen erhöhter Härte 2 angrenzenden Teilbereiche erhöhter Härte erstrecken sich nicht über die gesamte Dicke des Formbauteiles 1, sondern nur bis zu einem gewissen Anteil der Dicke.
3 zeigt ein Formbauteil 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Beim Formbauteil 1 nach 3 sind auf beiden Flächenseiten des Formbauteiles 1 Teilflächen erhöhter Härte 2 vorhanden. Dabei liegt jedem einzelnen Knotenbereich der durch die Teilflächen erhöhter Duktilität 3 gebildeten Gitterstruktur auf der einen Flächenseite auf der anderen Flächenseite ein mittiger Flächenanteil einer Teilfläche erhöhter Härte 2 unmittelbar gegenüber.
Bei dem in 4 dargestellten Formbauteil 1 gemäß einer dritten Ausführungsform sind auf beiden Flächenseiten des Formbauteiles 1 Teilflächen erhöhter Härte 2 vorhanden. Dabei liegen sich die Teilflächen erhöhter Härte 2 jeweils unmittelbar und fluchtend gegenüber. Außerdem weist zwischen jeweils zwei sich auf den beiden Flächenseiten des Formbauteiles 1 unmittelbar und fluchtend gegenüberliegenden kongruenten Teilflächen erhöhter Härte 2 der zwischen den beiden sich unmittelbar gegenüberliegenden Teilflächen erhöhter Härte 2 liegende Teilbereich des Formbauteiles 1 entlang der Flächennormalen über die gesamte Dicke des Formbauteiles 1 eine erhöhte Härte auf. Ferner weist zwischen den beiden sich auf den beiden Flächenseiten des Formbauteiles 1 unmittelbar und fluchtend gegenüberliegenden kongruenten Teilflächen erhöhter Duktilität 3 der Teilbereich des Formbauteiles 1 entlang der Flächennormalen über die gesamte Dicke des Formbauteiles 1 eine erhöhte Duktilität auf.

Claims

Formbauteil (1) bestehend aus einer oder mehreren Schutz- oder Panzerstahllegierungen, das durch zumindest partielles Warmformen, und zumindest partielles Presshärten erhalten worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Formbauteil (1) auf zumindest einer seiner beiden Flächenseiten eine Vielzahl von Teilflächen erhöhter Härte (2) und eine Teilfläche erhöhter Duktilität (3) aufweist, wobei die Teilfläche erhöhter Duktilität (3) als eine Flächennetzstruktur ausgebildet ist, die über die gesamte Fläche oder einen wesentlichen Anteil, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Fläche des Formbauteiles (1) ausgebildet ist, wobei jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte (2), die nicht die Außenrandfläche des Formbauteiles (1) schneidet, komplett von der Teilfläche erhöhter Duktilität (3) eingeschlossen ist, wobei der größte Abstand einer jeden einzelnen Teilfläche erhöhter Härte (2) zu jeder dazu benachbarten Teilfläche erhöhter Härte (2) maximal das Anderthalbfache derjeniger Kaliber von Projektilen bzw. Geschossen sowie derjeniger Querschnittsmaße von Trümmern von Projektilen bzw. Geschossen und/oder von von einer Explosion herrührenden Splittern ist, auf die das als Panzerungsbauteil dienende Formbauteil in der jeweils vorbestimmten Beschuss- und/oder Minenschutzklasse ausgelegt ist.
Formbauteil (1) bestehend aus einer oder mehreren Schutz- oder Panzerstahllegierungen, das durch zumindest partielles Warmformen, und zumindest partielles Presshärten und anschließendes zumindest partielles Anlassen erhalten worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Formbauteil (1) auf zumindest einer seiner beiden Flächenseiten eine Vielzahl von Teilflächen erhöhter Härte (2) und eine Teilfläche erhöhter Duktilität (3) aufweist, wobei die Teilfläche erhöhter Duktilität (3) als eine Flächennetzstruktur ausgebildet ist, die über die gesamte Fläche oder einen wesentlichen Anteil, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Fläche des Formbauteiles (1) ausgebildet ist, wobei jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte (2), die nicht die Außenrandfläche des Formbauteiles (1) schneidet, komplett von der Teilfläche erhöhter Duktilität (3) eingeschlossen ist, wobei der größte Abstand einer jeden einzelnen Teilfläche erhöhter Härte (2) zu jeder dazu benachbarten Teilfläche erhöhter Härte (2) maximal das Anderthalbfache derjeniger Kaliber von Projektilen bzw. Geschossen sowie derjeniger Querschnittsmaße von Trümmern von Projektilen bzw. Geschossen und/oder von von einer Explosion herrührenden Splittern ist, auf die das als Panzerungsbauteil dienende Formbauteil in der jeweils vorbestimmten Beschuss- und/oder Minenschutzklasse ausgelegt ist.
Formbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Abstand einer jeden einzelnen Teilfläche erhöhter Härte (2) zu jeder dazu benachbarten Teilfläche erhöhter Härte (2) kleiner als diejenigen Kaliber von Projektilen bzw. Geschossen sind, auf die das Panzerungsbauteil in der jeweils vorbestimmten Beschussklasse ausgelegt ist.
Formbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Abstand einer jeden einzelnen Teilfläche erhöhter Härte (2) zu jeder dazu benachbarten Teilfläche erhöhter Härte (2) kleiner als diejenigen Querschnittsmaße von Trümmern von Projektilen bzw. Geschossen und/oder von von einer Explosion herrührenden Splittern sind, auf die das Panzerungsbauteil in der jeweils vorbestimmten Beschuss- und/oder Minenschutzklasse ausgelegt ist.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Flächenseiten des Formbauteiles (1) jeweils eine Vielzahl von Teilflächen erhöhter Härte (2) und eine Teilfläche erhöhter Duktilität (3) vorliegen.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine überwiegende Anzahl, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Teilflächen erhöhter Härte (2) des Formbauteiles (1) im topologischen Sinne konvexe Flächen sind.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine überwiegende Anzahl, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Teilflächen erhöhter Härte (2) des Formbauteiles (1) eine kongruente, insbesondere identische, Flächenform aufweisen.
Formbauteil (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine überwiegende Anzahl, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Teilflächen erhöhter Härte (2) des Formbauteiles (1) eine rechteckige, insbesondere quadratische, Flächenform aufweisen.
Formbauteil (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine überwiegende Anzahl, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Teilflächen erhöhter Härte (2) des Formbauteiles (1) eine ellipsenförmige, insbesondere kreisrunde, Flächenform aufweisen.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen erhöhter Härte (2) geometrisch regelmäßig angeordnet sind.
Formbauteil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine überwiegende Anzahl, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Teilflächen erhöhter Härte (2) des Formbauteiles (1) eine kongruente quadratische Flächenform aufweisen, wobei eine überwiegende Anzahl, insbesondere mindestens 60%, vor allem mindestens 80%, der Teilflächen erhöhter Härte (2) schachbrettmusterartig angeordnet sind.
Formbauteil (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden sich gegenüberliegenden Flächenseiten des Formbauteiles (1) die Teilflächen erhöhter Härte (2) sowohl hinsichtlich ihrer geometrischen Anordnung als auch ihrer Flächenformen in spiegelverkehrter Weise jeweils kongruent übereinstimmen und sich jeweils unmittelbar und fluchtend gegenüberliegen.
Formbauteil (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei sich auf den beiden Flächenseiten des Formbauteiles (1) unmittelbar und fluchtend gegenüberliegenden kongruenten Teilflächen erhöhter Härte (2) der zwischen den beiden sich unmittelbar gegenüberliegenden Teilflächen erhöhter Härte (2) liegende Teilbereich des Formbauteiles (1) über die gesamte Dicke des Formbauteiles (1) eine erhöhte Härte (2) aufweist.
Formbauteil (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden sich auf den beiden Flächenseiten des Formbauteiles (1) gegenüberliegenden Teilflächen erhöhter Duktilität (3) im Wesentlichen entlang der Flächennormalen über die gesamte Dicke des Formbauteiles (1) eine erhöhte Duktilität vorliegt.
Formbauteil (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden sich gegenüberliegenden Flächenseiten des Formbauteiles (1) die Teilflächen erhöhter Härte (2) einer Flächenseite relativ zu den Teilflächen erhöhter Härte (2) der anderen Flächenseite unter einem räumlichen Versatz parallel zur Flächenseite angeordnet sind.
Formbauteil (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedem einzelnen Knotenbereich der durch die Teilflächen erhöhter Duktilität (3) gebildeten Flächennetzstruktur auf einer Flächenseite auf der anderen Flächenseite ein Zentralflächenanteil einer Teilfläche erhöhter Härte (2) unmittelbar gegenüberliegt.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte (2), die nicht die Außenrandfläche des Formbauteiles (1) schneidet, deren Ausdehnung entlang einer beliebigen zur Flächennormalen des Formbauteiles (1) senkrecht stehenden Richtung innerhalb eines Intervalls von 5 bis 200 mm, bevorzugt von 10 bis 100 mm, besonders bevorzugt von 20 bis 80 mm, äußerst bevorzugt von 40 bis 60 mm, liegt.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede einzelne Teilfläche erhöhter Härte (2), die nicht die Außenrandfläche des Formbauteiles (1) schneidet, deren Flächeninhalt innerhalb eines Intervalls von 15 bis 40.000 mm², bevorzugt von 75 bis 10.000 mm², besonders bevorzugt von 250 bis 6.500 mm², äußerst bevorzugt von 1.000 bis 4.000 mm², liegt.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Formbauteiles (1) innerhalb eines Intervalls von 1,5 bis 40 mm, bevorzugt von 3 bis 25 mm, besonders bevorzugt von 4 bis 15 mm, äußerst bevorzugt von 5 bis 12 mm, liegt.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Teilflächen erhöhter Härte (2) einen Mindestwert von 400 HB, bevorzugt von 500 HB, besonders bevorzugt von 600 HB, äußerst bevorzugt von 700 HB, aufweist.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf zumindest eine Flächenseite des Formbauteiles (1) das Verhältnis des Flächenanteiles der Teilfläche erhöhter Duktilität (3) relativ zum Flächenanteil der vorliegenden Teilflächen erhöhter Härte (2) in einem Größenbereich von 2:1 bis 1:100, bevorzugt von 1:1 bis 1:50, weiter bevorzugt von 1:2 bis 1:25, besonders bevorzugt von 1:5 bis 1:20, äußerst bevorzugt von 1:10 bis 1:20, liegt.
Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf zumindest eine Flächenseite des Formbauteiles (1) das Verhältnis des Volumenanteiles des an die Teilfläche erhöhter Duktilität (3) angrenzenden Teilbereiches erhöhter Duktilität relativ zum Volumenanteil der an die vorliegenden Teilflächen erhöhter Härte (2) angrenzenden Teilbereiche erhöhter Härte in einem Größenbereich von 2:1 bis 1:100, bevorzugt von 1:1 bis 1:50, weiter bevorzugt von 1:2 bis 1:25, besonders bevorzugt von 1:5 bis 1:20, äußerst bevorzugt von 1:10 bis 1:20, liegt.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass seine Karosserie, insbesondere seine Fahrgastzelle, zumindest ein Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst und/oder seine Karosserie, insbesondere seine Fahrgastzelle, zumindest durch ein Formbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verstärkt ist.
Verwendung eines Formbauteiles (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zur Panzerung einer Person oder eines Objektes, insbesondere eines Gebäudes, eines Bauwerkes, eines Luftfahrzeuges, eines Wasserfahrzeuges, eines Landfahrzeuges, bevorzugt eines Kraftfahrzeuges, sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich.
Verfahren zur Herstellung eines Formbauteiles (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen einer nicht vorgeformten Platine, die eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, oder eines aus einer Platine zumindest partiell vorgeformten Ausgangsbauteiles, das eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, wobei es sich bei der oder den Stahllegierung(en) um eine oder mehrere Schutz- oder Panzerstahllegierung(en) handelt; – zumindest partielles Warmformen, insbesondere in drei Dimensionen, und anschließendes zumindest partielles Presshärten der Platine oder des Ausgangsbauteiles, wobei durch lokal unterschiedliche Erwärmung der Platine oder des Ausgangsbauteiles vor dem Warmformen und/oder lokal unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten während des Presshärtens auf zumindest einer Flächenseite des Formbauteiles (1) eine Vielzahl von Teilflächen erhöhter Härte (2) und eine Teilfläche erhöhter Duktilität (3) ausgebildet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Formbauteiles (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen einer nicht vorgeformten Platine, die eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, oder eines aus einer Platine zumindest partiell vorgeformten Ausgangsbauteiles, das eine oder mehrere Stahllegierungen umfasst, wobei es sich bei der oder den Stahllegierung(en) um eine oder mehrere Schutz- oder Panzerstahllegierung(en) handelt; – zumindest partielles Warmformen, insbesondere in drei Dimensionen, und anschließendes zumindest partielles Presshärten und daran anschließendes zumindest partielles Anlassen der Platine oder des Ausgangsbauteiles, wobei durch lokal unterschiedliche Erwärmung der Platine oder des Ausgangsbauteiles vor dem Warmformen und/oder lokal unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten während des Presshärtens und/oder lokal unterschiedliche Anlasstemperaturen und/oder Anlassdauern während des Anlassens auf zumindest einer Flächenseite des Formbauteiles (1) eine Vielzahl von Teilflächen erhöhter Härte (2) und eine Teilfläche erhöhter Duktilität (3) ausgebildet werden.