DE102012024626A1 - Fahrzeugkarosserie und Verfahren zur Fertigung eines Formteils dafür - Google Patents

Fahrzeugkarosserie und Verfahren zur Fertigung eines Formteils dafür Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten Stahlformteils (8) mit zumindest überwiegend bainitischem Gefüge hat die Schritte a) Erhitzen eines Zuschnitts (3) aus Stahlblech (1) auf Austenitisierungstemperatur; b) Pressformen des Zuschnitts (3) bei gleichzeitiger Abkühlung, um ein Formteil (8) zu erhalten; und c) Bainitisieren des Formteils (8) in einem Verzinkungsbad (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten Formteils aus Stahl sowie eine Fahrzeugkarosserie, die ein solches Formteil aufweist.
  • Die Karosserie eines Kraftfahrzeugs soll einerseits ein möglichst niedriges Gewicht aufweisen, um den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs zu minimieren, andererseits soll sie bei einem Unfall größtmögliche Sicherheit der Fahrzeuginsassen gewährleisten. Um eine hohe Sicherheit der Insassen des Fahrzeugs zu erzielen, darf die Wandstärke der verwendeten Bleche nicht zu gering sein. Eine hohe Wandstärke bedeutet jedoch auch ein hohes Gewicht der Karosserie. Hohe Sicherheit ist daher im Allgemeinen nicht ohne hohen Kraftstoffverbrauch zu haben.
  • In den letzten Jahren ist mit den sogenannten presshärtenden Stählen (press-hardening steels, PHS-Stähle) eine Klasse von Stählen auf den Markt gekommen, die es erlauben, diese einander widersprechenden Anforderungen besser zu erfüllen. Um aus diesen PHS-Stählen Formteile zu fertigen, werden aus den Rohblechen gefertigte Zuschnitte zunächst auf Austenitisierungstemperatur erhitzt und dann während des Formens in einem Formwerkzeug abgekühlt. Durch die gleichzeitige Verformung und Abkühlung werden Formteile mit einem rein oder nahezu rein martensitischen Gefüge erhalten, die extrem hohe Festigkeitswerte von 1300 MPa und darüber erreichen. Dank der extrem hohen Festigkeit der aus diesen Stählen gefertigten Formteile genügen geringe Wandstärken und ein dementsprechend geringes Gewicht der Formteile, um eine vorgegebene Belastbarkeit der Karosserie zu erreichen.
  • Die hohe Festigkeit dieser Formteile ist jedoch verbunden mit einer relativ geringen Bruchdehnung. Wenn ein Fahrzeug, dessen Karosserie derartige Formteile aufweist, in einen Unfall verwickelt wird, neigen diese hochfesten Formteile dazu, bereits nach geringer Verformung zu brechen. Die Menge an Kollisionsenergie, die durch Verformung aufgezehrt werden kann, ist daher eher gering.
  • DE 10 2008 022 399 A1 schlägt ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlformteils vor, bei dem ein Zuschnitt wie oben beschrieben zunächst in einem Ofen austenitisiert und dann unter Abkühlung pressgeformt wird, wobei aber diese Abkühlung nur bis zu Bainitisierungstemperatur gehen soll und auf das Pressformen eine Bainitisierungsbehandlung folgt. Der Zuschnitt soll bereits vor der Austenitisierung mit einem vor Korrosion schützenden metallischen Überzug versehen sein, um ihn bereits beim Transport von dem Ofen zum Pressformwerkzeug vor Oxidation durch Umgebungssauerstoff zu schützen. Die Bainitisierung kann in einem Salz- oder Bleibad erfolgen, besonders empfohlen wird, das Stahlformteil im Pressformwerkzeug selbst der Bainitisierungsbehandlung zu unterziehen. Die Werkzeugschließzeit des Presswerkzeugs, innerhalb der sowohl Formgebung als auch Bainitisierung des Formteils stattfinden sollen, sollen 60 sec nicht überschreiten.
  • Die Zeit, die ein Formteil zum Abkühlen und zur Bainitisierung benötigt, ist notwendigerweise abhängig von den Abmessungen, insbesondere der Wandstärke des Formteils. Bei starkwandigen Formteilen ist daher damit zu rechnen, dass die vorgeschlagene Zeit nicht ausreicht, und dass somit die Zeit, während derer das Formwerkzeug durch die Bainitisierungsbehandlung belegt ist, bei solchen Formteilen erheblich länger dauern kann. Die Produktivität eines Formwerkzeugs ist daher durch die darin ablaufende Bainitisierung erheblich eingeschränkt, was die Produktionskosten erhöht. Auch die vorgeschlagenen Alternativen Salz- oder Bleibad führen als zusätzliche Behandlungsschritte zu höheren Kosten.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zu schaffen, das mit geringem Aufwand die Herstellung eines Stahlformteils mit hoher Bruchdehnung und Festigkeit ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten Stahlformteils mit zumindest überwiegend bainitischem Gefüge mit den Schritten:
    • a) Erhitzen eines Zuschnitts aus Stahlblech auf Austenitisierungstemperatur;
    • b) Pressformen des Zuschnitts bei gleichzeitiger Abkühlung; und
    • c) Bainitisieren des pressgeformten Zuschnitts
    die Bainitisierung in einem Verzinkungsbad stattfindet.
  • Indem somit die Bainitisierung gleichzeitig mit der Erzeugung einer Korrosionsschutzschicht durch Verzinkung stattfinden kann, kann die Produktion beschleunigt werden. Eine lang anhaltende Blockade eines Pressformwerkzeugs durch eine darin stattfindende Bainitisierung wird vermieden, so dass die Pressformwerkzeuge mit hoher Produktivität betrieben werden können. Da der Betrieb des Verzinkungsbades für die pressgeformten Teile nicht notwendigerweise mehr Energie benötigt als die herkömmliche Verzinkung vor dem Pressformen und Blei- oder Salzbad entfallen, kann bei der Produktion auch Energie gespart werden. Auch eine höhere Qualität der fertigen Formteile ist erreichbar, zum einen, weil das Verzinken nach dem Pressformen die Erzeugung einer lückenlosen Korrosionsschutzschicht auf der gesamten Oberfläche der Formteile ermöglicht, zum anderen, weil mit dem Pressformen verzinkter Bleche verbundene Probleme wie etwa Flüssigmetallkorrosion aufgrund eines Schmelzens der Zinkschicht während der Austenitisierung entfallen.
  • Eine lange Dauer der Bainitisierung im Verzinkungsbad verursacht, anders als eine langanhaltende Blockierung eines Formwerkzeugs, keine nennenswerte Kostensteigerung, da das Verzinkungsbad, im Gegensatz zum Formwerkzeug, ohne weiteres eine Mehrzahl von Formteilen gleichzeitig aufnehmen kann.
  • Während des Pressformens sollte die Bainitisierungstemperatur nicht unterschritten werden.
  • Das Verzinkungsbad enthält außer Zink vorzugsweise auch Aluminium in einer Menge, die den Schmelzpunkt des Bades unter den Schmelzpunkt von reinem Zink herabsetzt und die die Bildung der ZnFe-Legierungsschicht hemmt Insbesondere kann es eine eutektische Legierung von Zink und Aluminium, d. h. ca. 95 Gew.-% Zink und ca 5 Gew.-% Aluminium, enthalten.
  • In einem solchen Verzinkungsbad kann die Verzinkung auf einer niedrigeren Temperatur als der Schmelztemperatur des reinen Zinks stattfinden. Dadurch wird die Neigung des Zinks, in die Oberfläche der zu verzinkenden Formteile einzudiffundieren und dort eine Fe-Zn-Legierungsschicht zu bilden, begrenzt, und obwohl die Formteile zur Bainitisierung länger im Verzinkungsbad bleiben, als zum Verzinken erforderlich, bleibt die Dicke einer solchen Schicht gering.
  • Eine Bainitisierungsbehandlung bei höherer Temperatur des Verzinkungsbades ist für eine hohe Dehnung der behandelten Formteile förderlich. Vorzugsweise sollte daher die Temperatur des Verzinkungsbades in einem für die Bildung des oberen Bainits geeigneten Temperaturbereich liegen.
  • Für die Begrenzung des Wachstums der Fe-Zn-Legierungsschicht, insbesondere bei einer hohen Temperatur des Verzinkungsbades, erweist sich ein Anteil an Magnesium und an Seltenerdmetallen, insbesondere Cer und Lanthan, in der Zinkschmelze als günstig. Der Anteil der Seltenerdmetalle kann zwischen 0,1 und 2 Gew.-% betragen; die ideale Menge kann je nach verwendeten Seltenerdmetallen und deren relativen Anteilen variieren, gute Ergebnisse werden insbesondere mit einem Anteil von ca. 1 Gew.-% erreicht. Der Magnesiumanteil kann in etwa derselben Höhe liegen.
  • Um eine oberflächliche Oxidation der Zuschnitte in den Schritten a) und/oder b) zu vermeiden, die die Qualität der anschließenden Verzinkung beeinträchtigen könnte, werden der Schritt a) und/oder der Schritt b) vorzugweise unter inerter oder reduzierender Atmosphäre durchgeführt.
  • Der Zuschnitt wird vorzugweise aus einem presshärtenden Stahl, insbesondere einem MnB-Stahl oder einem Vergütungsstahl gefertigt.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Fahrzeugkarosserie zu schaffen, die bei geringem Gewicht in der Lage ist, große Mengen an Kollisionsenergie zu dissipieren und so ihren Insassen wirksamen Schutz bei einem Unfall zu bieten. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugkarosserie, die ein, in dem oben beschriebenen Verfahren hergestelltes Formteil als Komponente, insbesondere als bei einem Zusammenstoß zu verformende Komponente, enthält. Insbesondere kann es sich bei dieser Komponente um eine A-, B- oder C-Säule handeln.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Produktionsstrecke zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 2 einen Graphen der Temperaturverteilung entlang der Produktionsstrecke der 1.
  • Ausgangsmaterial des Verfahrens ist eine Platine bzw. ein Stahlband 1, hier in Rollenform, aus einem Vergütungsstahl mit C 0,3 bis 0,5%, Se 0,15% max., Mn 0,9% max., P 0,02% max., Mi 0,15% max., Ti 0,02% max., V 0,05% max., Nb 0,03% max., Al 0,6% max., N 0,15% max., Cu 0,15% max., B 8 ppm max., As 0,04% max. und Sn 0,02% max., Rest Fe mit den unvermeidlichen Verunreinigungen, oder aus einem PHS-Stahl, insbesondere 22 MnB5 mit C 0,19% bis 0,27%, Mn 1 bis 1,5%, Al ≤ 0,01%, Si ≤ 0,05%, P ≤ 0,03%, S ≤ 0,005%, Cr 0,35%, Ti 0,20% bis 0,055%, N ≤ 0,10%, B 0,0005% bis 0,004%.
  • Aus dem Stahlband 1 in einem Stanzautomaten 2 erhaltene Zuschnitte 3 durchlaufen einen Austenitisierungsofen 4, ein Pressformwerkzeug 5 und anschließend ein Verzinkungsbad 6. Die Grenzen eines Bereiches, in dem die Zuschnitte 3 bzw. aus ihnen erhaltene Formteile 8 unter Schutzgasatmosphäre gehalten sind, ist in der Figur durch ein strichpunktiertes Rechteck 7 bezeichnet. Dieser Bereich 7 erstreckt sich hier vom Austenitisierungsofen 4 bis zu einem Eingangsbereich des Verzinkungsbades 6. Die Formteile 8 sind vorzugsweise tragende Bestandteile einer Kraftfahrzeugkarosserie, die bei einem Unfall starker Biegebelastung ausgesetzt sein können, hier z. B. B-Säulen.
  • In dem Graphen der 2 sind Bereiche, die den verschiedenen Fertigungsstufen der 1 entsprechen, jeweils durch deren Bezugszeichen gekennzeichnet. Mit dem Eintritt in den Austenitisierungsofen 3 werden die Zuschnitte auf Austenitisierungstemperatur erhitzt. Diese beträgt ca. 900°C; ihr genauer Wert hängt von der verwendeten Stahlsorte ab.
  • Ein austenitisierter Zuschnitt 3 wird im Wesentlichen ohne zwischenzeitliche Abkühlung in das Pressformwerkzeug 5 geladen und kühlt in diesem während des Pressformvorgangs ab. Die Temperatur eines aus dem Zuschnitt 3 erhaltenen Formteils 8 bei Verlassen des Pressformwerkzeugs sollte nicht unter 650°C liegen.
  • Eine an sich bekannte und hier nicht dargestellte Aktivierungsbehandlung der Formteile 8 vor dem Eintritt in das Verzinkungsbad 6 kann die Gleichmäßigkeit der im Verzinkungsbad 6 erhaltenen Zinkschicht und ihre Haftung an der Oberfläche der Formteile 8 verbessern.
  • Mit dem Eintauchen in das Verzinkungsbad 6 nehmen die Formteile 8 schnell dessen Temperatur an und bleiben auf dieser, bis sie wieder entnommen werden. Diese Temperatur beträgt üblicherweise zwischen 420 und 520°C, und liegt damit sicher in dem Temperaturbereich, in dem eine Bainitisierung stattfindet.
  • Eine niedrige Temperatur des Verzinkungsbades 6 kann wünschenswert sein, um ein Eindiffundieren des Zinks in die Oberfläche der Formteile 8 zu vermeiden oder zumindest die Dicke einer dabei entstehenden Fe-Zn-Legierungsschicht zu begrenzen bildet, deren korrosionshemmende Wirkung der einer im wesentlichen eisenfreien Verzinkungsschicht unterlegen ist. Eine niedrige Temperatur des Verzinkungsbades 6 verlangsamt gleichzeitig die Bainitisierung, so dass Verweildauern von mehreren Minuten, typischerweise ca. 10 Minuten, angemessen sind, um ein überwiegend bainitisches Gefüge der Formteile 8 zu erreichen.
  • Bei Verwendung einer – vorzugsweise eutektischen – Zn-Al-Legierung für das Verzinkungsbad 6 kann die Verzinkung bei einer Temperatur bis hinunter zu 382°C stattfinden. Auch dieser Temperaturbereich ist für eine Bainitisierung geeignet. Durch Verwendung der Zn-Al-Legierung kann die Stärke der Fe-Zn-Legierungsschicht an der Oberfläche der Formteile 8 auf ein Minimum beschränkt werden.
  • Die Verzinkung im Verzinkungsbad 6 garantiert, dass die Formteile 8 nicht nur, wie bei der Fertigung aus einem vorverzinkten Stahlblech, an ihren Hauptoberflächen korrosionsgeschützt sind, sondern auch an den Schnittkanten. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Formteile als A-, B- oder C-Säulen in einer Kraftfahrzeugkarosserie eingesetzt werden sollen, die insbesondere an ihren unteren Enden einer relativ hohen Korrosionsbelastung durch Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Auch für andere bei einer Kollision möglicherweise stark belastete Karosserieteile wie Rahmen, Verlängerung Vorder- bzw. Hinterrahmen, Tunnelkappe, Schließbleche, Querträger kommt das Verfahren in Betracht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stahlband
    2
    Stanzautomat
    3
    Austenitiserungsofen
    4
    Pressformwerkzeug
    5
    Verzinkungsbad
    6
    Zuschnitt
    7
    Schutzgasatmosphärenbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008022399 A1 [0005]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen eines korrosionsgeschützten Stahlformteils (8) mit zumindest überwiegend bainitischem Gefüge mit den Schritten a) Erhitzen eines Zuschnitts (3) aus Stahlblech (1) auf Austenitisierungstemperatur; b) Pressformen des Zuschnitts (3) bei gleichzeitiger Abkühlung, um ein Formteil (8) zu erhalten; und c) Bainitisieren des Formteils (8); dadurch gekennzeichnet, dass das Bainitisieren in einem Verzinkungsbad (6) stattfindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressformen die Bainitisierungstemperatur nicht unterschritten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Stahlformteils (8) in dem Verzinkungsbad (6) wenigstens 2 min, vorzugsweise wenigstens 5 min beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzinkungsbad (6) Zink sowie Aluminium in einer den Schmelzpunkt des Verzinkungsbades unter den Schmelzpunkt von reinem Zink herabsetzenden Menge enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzinkung in einem für die Bildung des oberen Bainits geeigneten Temperaturbereich stattfindet.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzinkungsbad (6) einen Anteil an Seltenerdmetallen zwischen 0,1 und 2 Gew.-% aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzinkungsbad (6) einen Anteil an Magnesium zwischen 0,5 und 2 Gew.-% aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) und/oder der Schritt b) unter inerter oder reduzierender Atmosphäre durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschnitt (3) aus einem presshärtenden Stahl, insbesondere 22MnB5, oder einem Vergütungsstahl gefertigt wird.
  10. Fahrzeugkarosserie, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestelltes Formteil (8) als Komponente enthält.
  11. Fahrzeugkarosserie, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (8) eine A, B- oder C-Säule, ein Rahmen, eine Verlängerung Vorder- oder Hinterrahmen, eine Tunnelkappe, ein Schließblech oder ein Querträger ist.
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