DE102013216317A1

DE102013216317A1 - Gezielte lokale Einstellung von Materialeigenschaften eines höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles zur Herstellung von Strukturbauteilen, insbesondere Strukturbauteile eines Fahrzeugsitzes

Info

Publication number: DE102013216317A1
Application number: DE201310216317
Authority: DE
Inventors: Velten Behm; Tomas Barkow; Christian Busch; Stefan Huinink
Original assignee: Volkswagen AG; Sitech Sitztechnik GmbH
Current assignee: Brose Sitech De GmbH; Brose Sitech Sp Z OO Pl; Volkswagen AG
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) zur gezielten Beeinflussung mindestens einer Materialeigenschaft in mindestens einem Bereich (Bn) des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) zur Steuerung des Verformungsverhaltens während der Umformung eines Halbzeuges (10, 20, 40) zu einem Strukturbauteil (10’, 20’, 40’) und/oder zur Steuerung des Verformungsverhaltens während eines Crashfalls bei der bestimmungsgemäßen Verwendung eines umgeformten Strukturbauteiles (30’). Es ist vorgesehen, dass das jeweilige Halbzeug (10, 20, 40) und das umgeformte Strukturbauteil (40’) aus einem hochmanganhaltigen höchstfesten, weil kaltverfestigten aus den Hauptbestandteilen Eisen (Fe) und Mangan (Mn) bestehenden Leichtbaustahl (FeMn-Stahl) ausgebildet ist, und das Material des Halbzeuges (10, 20, 40) und/oder des Strukturbauteiles (30’) in mindestens einem vorgebbaren Bereich (Bn) lokal mit Wärme behandelt wird, wodurch in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich (Bn) die Duktilität erhöht, und dadurch in dem mindestens einen Bereich (Bn) eine Bruchdehnungsreserve gebildet wird, wodurch die bei der Umformung und/oder der bestimmungsgemäßen Verwendung in das Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) eingeleitete Energie zu einer energieabsorbierenden reversiblen plastischen Verformung des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) führt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles zur gezielten Beeinflussung mindestens einer Materialeigenschaft in mindestens einem Bereich des Strukturbauteiles zur Steuerung des Verformungsverhaltens während der Umformung eines Halbzeuges zu einem Strukturbauteil und/oder zur Steuerung des Verformungsverhaltens des Strukturbauteiles während eines Crashfalls bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des umgeformten Strukturbauteiles.
Der Grundrahmen ein beispielhaftes Strukturbauteil eines Fahrzeugsitzes ist beispielsweise unter Sicherheitsaspekten von besonderer Bedeutung. Bei der Entwicklung eines Fahrzeugsitzes steht neben der Technologie zur Herstellung des Strukturbauteiles stets die Frage der Materialfestigkeit, unter Beachtung möglicher auftretender Crashfälle, im Mittelpunkt, da der Sicherheit der Insassen hohe Priorität beigemessen wird. Gleichzeitig wird daran gearbeitet, die metallischen Sitzstrukturen materialtechnisch so auszugestalten, dass sie nur ein geringes Gewicht aufweisen, da hierin ein großes Sparpotenzial in Bezug auf das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeuges gesehen wird, wodurch im Ergebnis bei gleichen Leistungsdaten eines Kraftfahrzeuges der Verbrauch von Kraftstoff gesenkt werden kann.
Die Druckschrift der Anmelderin DE 10 2010 018 602 A1 schlägt zur Gewichtsreduzierung bei hoher Festigkeit der Strukturbauteile eines Fahrzeugsitzes vor hochmanganhaltigen Leichtbaustahl zu verwenden. Weitere in Frage kommende Strukturbauteile werden in der Druckschrift als Strukturbauteil genannt, wobei insbesondere ein Rückenlehnen-Kopfblech, eine Kopfstützen-Aufnahme, eine obere Rückenlehnen-Quertraverse, ein Rückenlehnen-Seitenholm, ein unteres Rückenlehnen-Querrohr, ein Beschlag, ein hinteres Sitzteil-Querrohr, ein Sitz- Seitenteil, eine Sitzteil-Wanne, ein Sitzfuß und eine Sitzschiene erwähnt werden.
Leichtbaustähle mit hohen Mangan-Gehalten eignen sich aufgrund ihrer günstigen Eigenschaftskombination aus hohen Festigkeiten von bis zu 1400 MPa und extrem hoher Dehnbarkeit (Gleichmaßdehnungen bis 70 % und Bruchdehnungen von bis zu 90 %) grundsätzlich im besonderen Maße für eine Verwendung im Bereich des Karosseriebaus und wie die Druckschrift der Anmelderin DE 10 2010 018 602 A1 erläutert, auch für Strukturbauteile von Fahrzeugsitzen.
Am Markt als Massenprodukt erhältlich ist insbesondere ein Fe-Mn-Stahl mit den Hauptbestandteilen Eisen (Fe) und Mangan (Mn) mit einem einphasigen, austenitischen Gefüge. Während der Umformung bleibt dieses austenitische Gefüge stabil. Der vorherrschende Verfestigungsmechanismus ist der TWIP (TWinning Induced Plasticity)-Effekt. TWIP-Stahl (TWinning Induced Plasticity, zu deutsch Zwillingsbildung induzierte Plastizität) ist eine austenitische Stahlsorte, bei der bei plastischer Verformung eine intensive Zwillingsbildung stattfindet. Dieser Vorgang findet bereits bei geringer Belastung von circa 300 MPa statt und verfestigt den Stahl, wobei hohe Bruchdehnungen von über 60 % erreicht werden.
In 1 ist in einem Diagramm die Bruchdehnung A in % über der Dehngrenze in MPa dargestellt. Es wird deutlich, dass hochmanganhaltige Leichtbaustähle, die innerhalb des gezeigten oberen Bereiches liegen sehr hohe Dehngrenzen aufweisen, wobei auch noch bei hohen Dehngrenzen im Vergleich zu anderen Stählen eine gute Bruchdehnung vorliegt.
Zum Vergleich zeigt das Diagramm in 1 einen zweiten unteren Bereich dem konventionelle Stähle zugeordnet sind. Es wird deutlich, dass diese konventionellen Stähle ebenfalls hohe Dehngrenzen erreichen, deren Bruchdehnung liegt jedoch weit unter den durch Kaltverfestigung höchstfesten hochmanganhaltige Leichtbaustählen in einem wesentlich geringeren Bereich von 10 bis 20%.
Die Bruchdehnung A ist ein Materialkennwert, der die bleibende Verlängerung der Probe nach dem Bruch, bezogen auf die Anfangsmesslänge, angibt. Die Bruchdehnung ist bei der Werkstoffprüfung eine von vielen Kenngrößen und charakterisiert die Verformungsfähigkeit beziehungsweise Duktilität eines Werkstoffes.
Unter Duktilität wird somit die Eigenschaft eines Werkstoffes verstanden, sich bei Überlastung also beim Auftreten von hohen Kräften stark plastisch verformen zu können. Zunehmende Duktilität bedeutet, dass die plastische Verformbarkeit erhöht wird. Abnehmende Duktilität bedeutet, dass die plastische Verformbarkeit reduziert wird.
Das Gegenteil einer hohen Duktilität, das heißt einer guten plastischen Verformbarkeit, ist ein sprödes, spontanes Bruchverhalten.
Als Dehngrenze oder Elastizitätsgrenze eines Materials oder Werkstoffes bezeichnet man die Größe der mechanischen Spannung, bei deren Überschreiten eine nicht reversible Dehnung oder Stauchung beziehungsweise plastische Verformung auftritt. Im Spannungs-Dehnungs- Diagramm gemäß 2 ist die Dehngrenze beziehungsweise die Elastizitätsgrenze in dem Punkt erreicht, in dem die Spannungskurve von ihrem linearen Verlauf abweicht. Auf 2 wird in der nachfolgenden Beschreibung noch näher eingegangen.
Hochmanganhaltige Leichtbaustähle weisen somit gegenüber konventionellen Stählen eine höhere Bruchdehnung A auf.
Es wird jedoch aus 1 auch deutlich, dass mit durch die Kaltverfestigung der hochmanganhaltigen austenitischen Leichtbaustähle erreichbarer höherer Festigkeit die zugehörige Bruchdehnung abnimmt. Das heißt mit Erhöhung der Dehngrenze gemäß 1 sinkt die Bruchdehnung.
Das heißt ferner, dass die Duktilität die plastische Verformbarkeit und somit die Bruchdehnungsreserve des Materials beziehungsweise des aus dem Material hergestellten Bauteiles abnimmt.
Bei einer erhöhten Dehnung, die in Strukturbauteilen bei einem Crash durch Umformung beziehungsweise bei der Herstellung der Strukturbauteile durch Umformung auftritt, kann es zum Versagen des Strukturbauteiles im Crashfall kommen. Weiterhin kann es bereits bei der Herstellung, besonders während des Umformens, zu Rissen in dem Strukturbauteiles oder zum Knicken des Strukturbauteiles kommen.
Es hat sich herausgestellt, dass die manganhaltigen Leichtbaustähle durch ihre starke Kaltverfestigung in vorteilhafter Weise höchstfest sind, jedoch die Bruchdehnungsreserve in einigen Fällen nicht ausreichend groß ist, um im Crashfall ein Bauteilversagen beziehungsweise bei der Herstellung das Auftreten von Rissen/Knicken im Material zu vermeiden.
Gewünscht ist ein höchstfestes Strukturbauteil, dessen Bruchdehnungsreserve in den gewünschten Stellen oder Bereichen des Strukturbauteiles ausreichend groß ist, um ein Bauteilversagen durch zu starke nicht reversible plastische Verformung im Crashfall beziehungsweise das Auftreten von Rissen bei der Herstellung des Strukturbauteiles zu verhindern.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, mittels dem die Materialeigenschaften eines höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles zur Herstellung von Strukturbauteilen zur Vermeidung von Materialschäden bei der Herstellung des Strukturbauteiles oder zur Vermeidung eines Bauteilversagens bei der Verwendung des Strukturbauteiles veränderbar sind.
Einen Ausgangspunkt für die Erfindung bietet die Offenbarung der Druckschrift DE 10 2011 118 285 A1 . Die Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils zur gezielten Absorption von kinetischer Energie beziehungsweise zur gezielten Steuerung des Verformungsverhaltens im Falle eines Crashs, welches folgende Schritte umfasst: Formgebung einer Aluminium-Legierung zu einem Halbzeug, das Bestandteil des Kraftwagenbauteils wird, wobei das Halbzeug und/oder das Kraftwagenbauteil einer lokalen Wärmebehandlung zur Steigerung der Duktilität in jeweiligen Wärmebehandlungszonen unterzogen wird.
Im Stand der Technik handelt es sich um Aluminium-Legierungen. Die Anmelderin schlägt hinsichtlich des Verfahrens unter Verwendung von höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stählen folgenden Verfahrensablauf vor.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles zur gezielten Beeinflussung mindestens einer Materialeigenschaft in mindestens einem Bereich des Strukturbauteiles. Durch das Verfahren ist es möglich, das Verformungsverhalten während der Umformung eines Halbzeuges zu einem Strukturbauteil und/oder während eines Crashfalls bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch eines umgeformten Strukturbauteiles zu steuern.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Beeinflussung mindestens einer Materialeigenschaft in mindestens einem Bereich an Halbzeugen, die zu einem Strukturbauteil umgeformt werden und an bereits umgeformten Strukturbauteilen, deren mindestens eine Materialeigenschaft in mindestens einem Bereich beeinflusst werden soll, durchgeführt.
Die noch umzuformenden Halbzeuge beziehungsweise das bereits umgeformte Strukturbauteil sind erfindungsgemäß aus einem hochmanganhaltigen höchstfesten, weil kaltverfestigten, aus den Hauptbestandteilen Eisen und Mangan bestehenden Leichtbaustahl ausgebildet.
Für diese aus hochmanganhaltigen, höchstfesten Leichtbaustählen bestehenden als Halbzeug oder fertiges Strukturbauteil vorliegenden Bauteile ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Material des Halbzeuges und/oder des Strukturbauteiles in mindestens einem vorgebbaren Bereich lokal mit Wärme behandelt wird.
In Einrichtung besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung findet die Wärmbehandlung unter Überschreitung des Schmelzpunktes des Materials statt.
Sowohl ohne Überschreitung des Schmelzpunktes als auch mit Überschreitung des Schmelzpunktes tritt der Effekt ein, dass in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich die Duktilität erhöht und in dem mindestens einen Bereich eine Bruchdehnungsreserve gebildet wird.
Diese Bruchdehnungsreserve steht, insbesondere in durch einwirkende Kräfte belasteten Bereichen zur Verfügung, während weniger belastete Bereiche beim Umformen beziehungsweise in einem Crashfall bei dem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Strukturbauteiles eine solche Bruchdehnungsreserve nicht benötigen, so dass die ursprüngliche Festigkeit, die bei der Wärmebehandlung herabgesetzt wird, erhalten bleibt, indem in diesen Bereichen keine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Die entsprechende Wärmebehandlung in dem dafür vorgesehen Bereich führt bei der Umformung und/oder bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Strukturbauteiles dazu, dass in vorteilhafter Weise in das Strukturbauteil eingeleitete Energie eine energieabsorbierende reversible plastische Verformung des Strukturbauteiles in dem mindestens einen Bereich bewirkt. Dabei wird der das Strukturbauteil nicht zerstört, weil die Kräfte durch innerhalb der reversiblen plastischen Verformung aufgenommen, sozusagen im Strukturbauteil absorbiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, die Wärmebehandlung vor der Umformung des Halbzeuges zu dem Strukturbauteil durchzuführen.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmebehandlung während der Umformung des Halbzeuges zu dem Strukturbauteil durchgeführt wird.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass gegebenenfalls die Wärmebehandlung und die Umformung in einem einzigen Verfahrensschritt zusammengefasst werden kann.
Ferner ist es in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Wärmebehandlung des bereits umgeformten Strukturbauteiles erst nach dessen Umformung durchgeführt wird.
Die entsprechende Entfestigung tritt ein, auch ohne, dass der Schmelzpunkt bei der Wärmebehandlung überschritten wird. Eine besonders prozesssichere Ausgestaltung besteht darin, dass bei der Wärmebehandlung der Schmelzpunkt überschritten wird. Diese verfahrenstechnische Ausgestaltung lässt sich in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung mit einem Lasergerät realisieren.
Eine Wärmebehandlung ohne Schmelzpunktüberschreitung kann in einer anderen verfahrenstechnische Ausgestaltung mit einem Lasergerät oder auch mit einem Induktionswärmeofen oder dergleichen durchgeführt werden.
Bevorzugt ist somit bei Überschreitung des Schmelzpunktes, dass die Wärmebehandlung des Halbzeuges beziehungsweise des Strukturbauteiles lokal als einzelne Lasernaht in dem mindestens einen dafür vorgesehenen Bereich mittels eines Lasergerätes als Einzelnaht eingebracht wird. Weiterhin ist es möglich, dass die Wärmebehandlung lokal durch Anordnung mehrerer nah beieinander liegender Lasernähte ebenfalls mittels eines Lasergerätes als Mehrfach-Naht unter Ausbildung einer wärmebehandelten Fläche durchgeführt wird.
Bei dieser Ausbildung können in vorteilhafter Weise entweder kleine bei der Umformung beziehungsweise im bestimmungsgemäßen Gebrauch stark durch einwirkende Kräfte belastete Stellen des Strukturbauteiles mittels mindestens einer einzigen Lasernaht wärmebehandelt werden.
In vorteilhafter Weise können aber auch flächenhafte Strukturen durch eine Wärmebehandlung mit mehreren eng nebeneinander liegenden Lasernähten, die bei der Umformung beziehungsweise im bestimmungsgemäßen Gebrauch stark belastet werden, mit einer Bruchdehnungreserve versehen werden, so dass das Strukturbauteil während der Umformung beziehungsweise in seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch bei Einwirken einer hohen Kraft während der Umformung beziehungsweise im Crashfall keine Risse und/oder Knicke bildet.
In vorteilhafter Weise können somit auch flächenhafte Strukturen durch eine Wärmebehandlung mit mehreren eng nebeneinander liegenden Lasernähten, die bei der Umformung beziehungsweise im bestimmungsgemäßen Gebrauch stark belastet werden, mit einer Bruchdehnungreserve versehen werden, so dass das Strukturbauteil während der Umformung beziehungsweise in seinem bestimmungsgemäßen Gebrauch bei Einwirken einer hohen Kraft während der Umformung beziehungsweise im Crashfall keine Risse und/oder Knicke bildet.
Bevorzugt ist somit, wenn der Schmelzpunkt nicht überschritten wird, dass die Wärmebehandlung des Halbzeuges beziehungsweise des Strukturbauteiles lokal in einem vorgebbaren Wärmebehandlungsbereich in dem mindestens einen dafür vorgesehenen Bereich mittels des Lasergerätes oder des Induktionswärmeofens unter Ausbildung einer wärmebehandelten Fläche durchgeführt wird.
Bei dieser Ausbildung können ebenfalls in vorteilhafter Weise bei der Umformung beziehungsweise im bestimmungsgemäßen Gebrauch starke an belasteten Stellen des Strukturbauteiles einwirkende Kräfte mit und ohne Schmelzpunktüberschreitung flächig in dem gewünschten Wärmebehandlungsbereich wärmebehandelt werden.
Das Verfahren zeichnet sich insbesondere beim Einbringen einer Laserschweißnaht (Lasernaht) ferner dadurch aus, dass eine prozentuale Veränderung der Festigkeit des höchstfesten Materials im Sinne der Zunahme der Duktilität bei gleichzeitiger Reduzierung der Festigkeit des Materials besonders einfach durch die Auswahl und Festlegung einer Spurbreite und/oder einer Tiefe der mindestens einen Lasernaht innerhalb der Wärmebehandlung des Strukturbauteiles eingestellt wird.
Wird keine Laserschweißnaht eingebracht, das heißt eine Wärmebehandlung durchgeführt bei der keine Laserschweißnaht eingebracht wird, gestaltet sich die Durchführung der Festlegung der Randparameter schwieriger als bei einer Wärmebehandlung mittels Lasernahtschweißung.
Das Verfahren mit Einbringung einer Lasernaht unter Überschreitung des Schmelzpunktes kann in vorteilhafter Weise leicht prozesstechnisch überwacht werden, wobei die Einstellungsparameter leicht festzulegen, einzustellen und einzuhalten sind, um das jeweilige Strukturbauteil in dem gewünschten dafür vorgesehenen Bereich durch das Einbringen mindestens einer Lasernaht zu entfestigen. Dadurch, dass ein Lasergerät mit einem Laserstrahl zur Erzeugung einer Lasernaht verwendet wird, wird das Verfahren in einem solchen Fall auch als "Laserentfestigung" bezeichnet.
Durch die Erfindung wird ein Strukturbauteil geschaffen, welches aus einem hochmanganhaltigen höchstfesten, weil kaltverfestigten, aus den Hauptbestandteilen Eisen und Mangan bestehenden Leichtbaustahl ausgebildet ist, wobei sich das Strukturbauteil dadurch auszeichnet, dass das Material des Halbzeuges und/oder des Strukturbauteiles in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich den Schmelzpunkt des Materials überschreitend lokal mit Wärme behandelt ist.
Die eingebrachten Lasernähte sind an einem solchen Strukturbauteil sichtbar, so dass die mit dem genannten Verfahren behandelten Strukturbauteile gegenüber anderen Strukturbauteilen leicht erkannt werden können.
In dem anderen Fall der Erfindung wird ein Strukturbauteil geschaffen, welches aus einem hochmanganhaltigen höchstfesten, weil kaltverfestigten, aus den Hauptbestandteilen Eisen und Mangan bestehenden Leichtbaustahl ausgebildet ist, wobei sich das Strukturbauteil dadurch auszeichnet, dass das Material des Halbzeuges und/oder des Strukturbauteiles in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich den Schmelzpunkt des Materials nicht überschreitend lokal mit Wärme behandelt ist. In diesem Fall sind keine Lasernähte an einem solchen Strukturbauteil sichtbar, so dass die mit dem genannten Verfahren behandelten Strukturbauteile gegenüber anderen Strukturbauteilen nicht durch das Vorhandensein von Lasernähten erkannt werden können.
Insbesondere dann, wenn gemäß der oben genannten weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, die Wärmebehandlung parallel zu der Umformung des Halbzeuges zu einem Strukturbauteil durchzuführen, ist es vorteilhaft, einen Laserbearbeitungskopf eines Lasergerätes oder eine andere Wärmequelle, insofern kein Lasergerät eingesetzt wird, in das Umformwerkzeug zu integrieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich beziehungsweise die erfindungsgemäßen Strukturbauteile aus dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl unterscheiden sich gegenüber dem in der Offenlegungsschrift DE 10 2011 118 285 A1 dargestellten Verfahren zur Herstellung von Kraftwagenbauteilen wie folgt:
Bauteile aus kaltverfestigten FeMn-Stählen, die gemäß dem TWIP-Effekt verfestigt worden sind und aus Aluminiumlegierungen hergestellte Bauteile besitzen stark unterschiedliche mechanische Kennwerte im Hinblick auf deren Festigkeit beziehungsweise deren Dehnung.
Es handelt sich um zwei unterschiedliche Werkstoffklassen, die Bezug nehmend auf ihre mechanischen Eigenschaften (Festigkeit/Dehnung) eher unterschiedliche Anwendungsbereiche ansprechen.
Die Verfestigung eines aus Aluminium hergestellten Bauteiles erfolgt je nach Legierungszusammensetzung im Wesentlichen über zwei Mechanismen. Zum einen ebenfalls durch Kaltverfestigung und zum anderen durch Ausscheidungshärtung oder durch deren Kombination.
Sowohl aus der Literatur als auch in durchgeführten Versuchen wird deutlich, dass sich die Höhe der bei der Wärmebehandlung in das Aluminium eingebrachten Energie maßgeblich auf die Nahtfestigkeit einer Naht auswirkt, wobei die Naht als Schweißgut und zugehörige Wärmeeinflusszone definiert wird.
Nachfolgend werden zur Verdeutlichung der Unterschiede die Festigkeiten im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone eines Bauteiles aus kaltverfestigtem höchstfesten FeMn-Stahl gegenüber einem Bauteil aus einer Aluminiumlegierung betrachtet.
In dem Schweißgut, das heißt in dem aufgeschmolzenen Material, werden bei kaltverfestigten höchstfesten FeMn-Stählen und Bauteilen aus Aluminiumlegierungen entsprechend dem jeweiligen Energieeintrag unterschiedliche Festigkeiten erreicht.
Wie vorne erläutert, erreichen die Bauteile aus kaltverfestigten höchstfesten FeMn-Stählen und die Bauteile aus Aluminiumlegierungen im Schmelzgut jeweils die Festigkeit, die dem Grundzustand des jeweiligen Materials entspricht, die vor der Vorverfestigung des jeweiligen Materials vorlag. Diese Festigkeiten im Grundzustand unterscheiden sich, wobei die Bauteile aus dem kaltverfestigten höchstfesten FeMn-Stahl im Grundzustand fester sind als ein Bauteil aus einer Aluminiumlegierung.
Die Verhältnisse beziehungsweise Auswirkungen in der Wärmeeinflusszone unterscheiden sich ebenfalls.
Bei einem Bauteil aus einer Aluminiumlegierung ist festzustellen, je mehr Energie in das Bauteil, das heißt über die Schweißnaht/Lasernaht eingekoppelt wird, desto stärker entfestigt sich die Wärmeeinflusszone des Bauteils aus einer Aluminiumlegierung.
Wird beispielsweise in Bereichen des Bauteiles aus einer Aluminiumlegierung die Rekristallisationstemperatur, die nur bei etwa 200 °C liegt, überschritten (größer als 200 °C), so kommt es zur Erholung des Materials und demnach zum Festigkeitsabbau in den betroffenen Wärmeeinflusszonen.
Bei der Wärmebehandlung eines Bauteiles aus einer Aluminiumlegierung wird somit durch das Überschreiten der Rekristallisationstemperatur die Festigkeit in den betroffenen Wärmeeinflusszonen abgebaut, worin bei der Nahtausbildung, die als Schweißgut und Wärmeeinflusszone definiert ist, ein technischer Nachteil gesehen wird.
Da zum einen die Rekristallisationstemperatur von Aluminium geringer ist als von hochfesten FeMn-Stählen und bei einem Bauteil aus einer Aluminiumlegierung zum anderen die Isothermenfelder bei einer Wärmebehandlung (Schweißen/Lasern) eine wesentlich größere Ausdehnung einnehmen als beim kaltverfestigten höchstfesten FeMn-Stahl, entfestigt sich das Bauteil aus einer Aluminiumlegierung in der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht/der Lasernaht zwangsläufig über einen relativ zur eingebrachten Energie größeren Bereich.
Mit anderen Worten, beim Laserstrahlschweißen von höchstfesten FeMn-Stählen kommt es relativ zur eingebrachten Energie zu einer vergleichsweise sehr kleinen Wärmeeinflusszone, wodurch sich der vorteilhafte sensitive Effekt ergibt, dass wie gewünscht in vorteilhafter Weise eine Entfestigung nur im Bereich des Schweißgutes und nicht in der Wärmeeinflusszone der Naht auftritt.
Durch die höhere Sensitivität gegenüber der eingebrachten Wärme ist das gezielte Einstellen der Festigkeit beziehungsweise Bruchdehnung beziehungsweise der gewünschten Bruchdehnungsreserve innerhalb eines begrenzten Bereichs in Aluminiumlegierungen prozesstechnisch schwerer herzustellen als bei kaltverfestigten höchstfesten FeMn-Stählen.
Ursache für die schwerer herzustellenden gewünschten Festigkeitswerte beziehungsweise Bruchdehnungswerte sind die sich vom kaltverfestigten höchstfesten FeMn-Stahl unterscheidenden unter anderem auch die Aushärtungsmechanismen der Bauteile aus den Aluminiumlegierungen.
Eine Entfestigung tritt somit bei einer Wärmebehandlung von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen zwangsläufig in einem größeren, nicht so präzise einstellbaren Bereich auf.
Zusammenfassend besteht ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, wie Versuche gezeigt haben, darin, dass bei einer Wärmebehandlung von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer geringeren Rekristallisationstemperatur und der Ausbildung größerer Isothermenfelder im Vergleich zu Bauteilen aus kaltverfestigtem höchstfesten FeMn-Stahl zwangsläufig ein, mit steigender eingebrachter Energie, größerer Bereich entfestigt wird. Bei kaltverfestigten höchstfesten FeMn-Stählen beschränkt sich die „Laserstrahlentfestigung“ beziehungsweise das „Laserstrahlentfestigen“ in vorteilhafter Weise nur auf das Schweißgut. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer gezielteren und präziseren Bearbeitung innerhalb eines größeren Prozessfensters.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungs- und Anwendungsbeispielen anhand der zugehörigen Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Bruchdehnungs-Dehngrenzen-Schaubild zur Verdeutlichung des Standes der Technik;
2 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm;
3A ein erstes Anwendungsbeispiel – das Biegen eines Rohres aus einem nicht erfindungsgemäß wärmebehandelten höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles mit einem Riss (hohes Riss-Risiko) bei der Umformung (Biegen) nach dem Stand der Technik;
3B das umgeformte (gebogene) Rohr des ersten Anwendungsbeispieles nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles auf der Zugseite des Rohrmaterials ohne Riss (geringeres Riss-Risiko) bei der Umformung (Biegen);
4A ein zweites Anwendungsbeispiel – das Tiefziehen eines Bleches aus einem nicht erfindungsgemäß wärmebehandelten höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles mit einem Riss-Risiko (hohes Riss-Risiko) bei der Umformung (Tiefziehen) nach dem Stand der Technik;
4B das umgeformte (tiefgezogene) Blech des zweiten Anwendungsbeispieles nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles auf der Zugseite des Rohrmaterials ohne Riss (geringeres Riss-Risiko) bei der Umformung (Biegen);
5A ein drittes Anwendungsbeispiel – ein Sitzseitenteil als Strukturbauteil aus einem nicht erfindungsgemäß wärmebehandelten höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles mit einem Riss-Risiko (an einer Riss-Stelle) beziehungsweise mit einer Knick-Gefahr (an einer Knick-Stelle) im Crashfall innerhalb des Strukturbauteiles nach dem Stand der Technik;
5B das Sitzseitenteil des dritten Anwendungsbeispieles nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles ohne Knick (geringere Knick-Gefahr) beziehungsweise ohne Riss (geringeres Riss-Risiko) in einem Crashfall;
6A ein viertes Anwendungsbeispiel – das Kragenziehen eines Bleches aus einem nicht erfindungsgemäß wärmebehandelten höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles mit einem Riss (hohes Riss-Risiko) bei der Umformung (Biegen) nach dem Stand der Technik;
6B das zu einem Beschlagteil eines Lehnendrehverstellers als Strukturbauteil umgeformte (Kragenziehen) Blech des vierten Anwendungsbeispieles nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles ohne Riss (geringeres Riss-Risiko) bei der Umformung (Kragenziehen) und
7 einen Fahrzeugsitz mit Strukturbauteilen gemäß der Erfindung.
2 zeigt in dem bereits erwähnten Spannungs-Dehnungs-Diagramm verschiedene Kennlinien Kn (n = 1 bis 5) zur Verdeutlichung der Erfindung.
Die erste Kennlinie K1 verdeutlicht, dass ein hochfester kaltverfestigter FeMn-Stahl gemäß der y-Achse des Diagrammes eine hohe mechanische Spannung σ (sigma) aufweist.
Die mechanische Spannung als Kraft pro Flächeneinheit N/mm² ist bei dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl am Höchsten und liegt bei dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl nach der Kennlinie 1 beispielsweise bei 1000 MPa.
Die zugehörige Bruchdehnung A aufgetragen auf der die Dehnung ε (epsilon) betreffenden x-Achse des Diagrammes der 2 beträgt bei dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl circa 10%.
Die erwähnte Bruchdehnungsreserve ist gering, denn in dem Punkt, in dem die Spannungskurve von dem in x-Richtung liegenden linearen Verlauf abweicht, kommt es beim Erreichen der Streckgrenze bereits zu einer bleibenden plastischen Verformung des Werkstoffes beziehungsweise des Strukturbauteiles, die jedoch nicht gewünscht ist.
Gemäß der Erfindung wird dafür gesorgt, dass beim Einwirken einer Kraft auf das Bauteil die bleibende plastische Verformung in Richtung einer reversiblen plastischen Verformung verzögert eintritt, das heißt die Duktilität beziehungsweise die Bruchdehnung A des Materials soll zunehmen.
Der ersten Kennlinie K1 in 2 ist ein zur Erläuterung dienendes theoretisches Strukturbauteil zugeordnet, welches eine Blechstärke von 1,0mm und eine Fläche von 1,0mm × 1,0mm aufweist. Das Blech 100-K1 besteht aus dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl und weist beispielsweise eine Blechstärke von ebenfalls 1,0mm auf.
Der zweiten Kennlinie K2 ist ebenfalls ein Blech 100-K2 mit der Blechstärke von 1,0mm und eine Fläche von 1,0mm × 1,0mm mit gleicher Blechstärke zugeordnet, welches ebenfalls aus dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl besteht, jedoch zu 10% wärmebehandelt wurde.
Betrachtet wird der Querschnitt von 1,0mm × 1,0mm mit der Fläche 1,0mm². Es wird mittels eines Laserstrahls eine Wärmebehandlung durchgeführt, indem beispielsweise eine Laserspur/Lasernaht von 1,0mm Spurbreite und 0,1mm Spurtiefe im Querschnitt des Bleches 100-K2 von 1,0mm × 1,0mm betrachtet erzeugt wird.
Die Fläche der Laserspur 0,1mm² beträgt somit 10% der Gesamtfläche des Querschnittes von 1mm².
Beträgt die Festigkeit des Bleches 100-K2 im Anlieferungszustand des Bleches 100-K2 beispielsweise 1000MPa, so werden 10% der Fläche durch die Veränderung des Materialzustandes bei Ziehen der Lasernaht im zugehörigen Bereich B des Strukturbauteiles verändert.
Die Materialfestigkeit innerhalb des Materials im Anlieferungszustand des Bleches 100-K2 mit beispielsweise 1000MPa, welches durch die Lasernaht wärmebehandelt worden ist, wird durch den Wärmeeintrag auf den Grundzustand des Materials zurückgeführt, der vor der Kaltverfestigung des Materials (des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles) vorlag. Die Festigkeit im Grundzustand beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise 500MPa.
Die restliche betrachtete Fläche von 0,9mm² weist die Festigkeit des Anlieferungszustandes des Bleches 100-K2 von 1000MPa auf. Betrachtet man wieder die Gesamtfläche des Bleches 100-K2 im Querschnitt von 1mm² als Gesamtfläche, so wird sich in dem Bereich B insgesamt eine Festigkeit von 950 MPa (0,1 × 500MPa und 0,9 × 1000MPa) einstellen. Dieser reduzierten Festigkeit von 950 MPa kann in Abhängigkeit des Typs des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles gemäß 1 eine erhöhte Bruchdehnung von circa 20 bis 30% zugeordnet werden.
Der vierten Kennlinie K4 ist ebenfalls ein Blech 100-K4 mit der Blechstärke von 1,0mm und eine Fläche von 1,0mm × 1,0mm mit gleicher Blechstärke zugeordnet, welches ebenfalls aus dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl besteht, jedoch zu 50% wärmebehandelt wurde. Betrachtet wird wieder der Querschnitt von 1,0mm × 1,0mm mit der Fläche 1,0mm².
Es wird beispielsweise mittels eines Laserstrahls eine Wärmebehandlung durchgeführt, indem beispielsweise eine Laserspur/Lasernaht von 1,0mm Spurbreite und 0,5mm Spurtiefe im Querschnitt des Bleches 100-K4 von 1,0mm × 1,0mm betrachtet erzeugt wird.
Die Fläche der Laserspur 0,5mm² beträgt somit 50% der Gesamtfläche des Querschnittes von 1mm².
Beträgt die Festigkeit des Bleches 100-K4 im Anlieferungszustand des Bleches 100-K4 beispielsweise 1000MPa, so werden 50% der Fläche durch die Veränderung des Materialzustandes bei Ziehen der Lasernaht im zugehörigen Bereich B des Strukturbauteiles verändert.
Die Materialfestigkeit innerhalb des Materials im Anlieferungszustand des Bleches 100-K4 mit beispielsweise 1000MPa, welches durch die Lasernaht wärmebehandelt worden ist, wird analog durch den Wärmeeintrag auf den Grundzustand des Materials zurückgeführt, der vor der Kaltverfestigung des Materials (des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles) vorlag. Die Festigkeit im Grundzustand beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise wieder 500MPa.
Die restliche betrachtete Fläche von 0,5mm² weist die Festigkeit des Anlieferungszustandes des Bleches 100-K4 von 1000MPa auf. Betrachtet man wieder die Gesamtfläche des Bleches 100-K4 im Querschnitt von 1mm² als Gesamtfläche, so wird sich in dem Bereich B insgesamt eine Festigkeit von 750 MPa (0,5 × 500MPa und 0,5 × 1000MPa) einstellen. Dieser reduzierten Festigkeit von 750 MPa kann gemäß 1 eine erhöhte Bruchdehnung von circa 40–50% zugeordnet werden.
Der fünften Kennlinie K5 ist ebenfalls ein Blech 100-K5 mit der Blechstärke von 1,0mm und eine Fläche von 1,0mm × 1,0mm mit gleicher Blechstärke zugeordnet, welches ebenfalls aus dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl besteht, jedoch zu 100% wärmebehandelt wurde.
Betrachtet wird wieder der Querschnitt von 1,0mm × 1,0mm mit der Fläche 1,0mm². Es wird analog mittels eines Laserstrahls eine Wärmebehandlung durchgeführt, indem beispielsweise eine Laserspur/Lasernaht von 1,0mm Spurbreite und 1,0mm Spurtiefe im Querschnitt des Bleches 100-K5 von 1,0mm × 1,0mm betrachtet erzeugt wird.
Die Fläche der Laserspur 1,0mm² beträgt somit 100% der Gesamtfläche des Querschnittes des Bleches 100-K5 von 1mm².
Beträgt die Festigkeit des Bleches 100-K5 im Anlieferungszustand des Bleches 100-K5 beispielsweise 1000MPa, so werden jetzt 100% der Gesamtfläche von 1mm² durch die Veränderung des Materialzustandes bei Ziehen der Lasernaht im zugehörigen Bereich B des Strukturbauteiles verändert.
Zu Vergleichszwecken wird auch hier die Materialfestigkeit innerhalb des Materials im Anlieferungszustand des Bleches 100-K5 mit beispielsweise 1000MPa festgelegt. Das Material mit dieser Festigkeit, welches durch die Lasernaht wärmebehandelt worden ist, wird auch hier durch den Wärmeeintrag auf den Grundzustand des Materials zurückgeführt, der vor der Kaltverfestigung des Materials (des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles) vorlag. Die Festigkeit im Grundzustand beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise wieder 500MPa.
Die betrachtete Gesamtfläche von 1,0mm² weist nach der Wärmebehandlung die Festigkeit des Grundmaterials von 500MPa (1,0 × 500MPa und 0 × 1000MPa) auf. Dieser reduzierten Festigkeit von 500 MPa kann gemäß 1 in Abhängigkeit des Typs des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles eine maximal erhöhte Bruchdehnung von circa 50–60% zugeordnet werden.
Unter den gleichen Prämissen führt eine Wärmebehandlung eines Bauteiles 100-K3 mit einer Wärmebehandlung von 30% zu einer reduzierten Festigkeit von 800 MPa, der gemäß 1 in Abhängigkeit des Typs des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles eine maximal erhöhte Bruchdehnung von 30–40% zugeordnet werden kann.
Die Erläuterungen machen zusammenfassend deutlich, dass durch eine Wärmbehandlung in den wärmebehandelten Bereichen B die gewünschten Materialeigenschaften bewirkt werden können, insbesondere wird die durch Kaltverfestigung erreichte hohe Festigkeit partiell in den gewünschten Bereichen B zurückgeführt.
Die Duktilität des Materials der Bleche 100-K1 bis 100-K5 nimmt somit im theoretisch untersuchten Bereich B je nachdem, welche prozentuale Fläche in dem untersuchten Querschnitt wärmebehandelt worden ist, stetig zu.
Durch diese Vorgehensweise kann über die Blechstärke eines Strukturbauteiles betrachtet, gemäß dem Ausführungsbeispiel eine gewünschte Festigkeit zwischen mindestens der Grundfestigkeit von 500MPa und höchstens der maximalen anzunehmenden Festigkeit, die als Anlieferungszustand von 1000MPa durch Kaltverfestigung eines höchstfesten FeMn-Stahlteiles erreichbar ist, eingestellt werden.
In vorteilhafter Weise werden die spezifischen Materialeigenschaften von kaltverfestigtem austenitischen Eisen-Mangan-Stahl (TWIP-Stahl), insbesondere der von der Salzgitter- Flachstahl-AG vertriebene HSD^®-Stahl durch Wärmebehandlung, insbesondere unter Verwendung eines Lasergerätes, gezielt und unkompliziert in dafür vorgegebenen Bereichen Bn verfestigt.
Als Lasergeräte sind Festkörperlaser mit Scanneroptik oder auch sogenannte Homogenisierer einsetzbar. Die Unkompliziertheit beim Einschweißen einer Laserspur oberhalb des Schmelzpunktes besteht insbesondere darin, dass der Prozess nicht zwingend online überwacht werden muss. Beim Einschweißen einer Laserspur oberhalb des Schmelzpunktes wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass sich das Material aus dem kaltverfestigten Anlieferungszustand von 1000MPa im wärmebehandelten Bereich sicher in das Material im Grundzustand verändert.
Das hier vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren wird für höchstfeste kaltverfestigte FeMn-Stähle angewendet, da die materialspezifischen Eigenschaften dieser Stähle bei der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise die Eigenschaft haben, dass das Materialgefüge zu jeder Zeit – austenitisch, das heißt einphasig bleibt.
Es ist nämlich bei der Vorgehensweise gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Lasernaht/Laserspur als sichtbare Lasernaht in das Material des Strukturbauteils in den gewünschten Bereich B eingebracht wird. In vorteilhafter Weise bleibt, wie erläutert, das Materialgefüge austenitisch, jedoch wird eine Veränderung der Duktilität zu Gunsten einer besseren plastischen Verformbarkeit des Strukturbauteils erreicht.
Hinzu kommt, dass das Verfahren für den genannten höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles eingesetzt wird.
Durch die genannte gezielte Bearbeitung des Materials können in vorteilhafter Weise für die Weiterverarbeitung vorgesehene Halbzeuge wie Bleche oder Rohre, die gegebenenfalls noch einem Umformprozess unterzogen werden, oder auch bereits fertige Bauteile, die nicht mehr umgeformt werden müssen, präzise in dem/n dafür gewünschten Bereich/en B entfestigt werden.
Einem Strukturbauteil kann in der jeweiligen Bearbeitungsstufe (Halbzeug zu fertigem Strukturbauteil) seine durch den vorangegangenen Kaltfertigungsprozess (zum Beispiel durch Kaltwalzen, Umformen etc. – allgemein durch vorangegangene Umformungsprozesse) herabgesetzte Bruchdehnung zurückgegeben werden.
Infolgedessen kommt es in den gewünschten Bereichen B der Strukturbauteile nicht zur Rissbildung oder in die in das Strukturbauteil eingetragene Energie kann gezielt von einem bestimmten Bereich B des Bauteils dissipiert werden.
In vorteilhafter Weise können insbesondere die nur bedingt für Tailor-Welded-Strips oder -Blanks mischverbindungstauglichen höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stähle anders verwendet werden.
Die zumindest bereichsweise Entfestigung des Ausgangsmaterials auf eine gewünschte geringere Festigkeit mit zunehmender Duktilität schafft nämlich Abhilfe.
Stand der Technik ist es, dass bei Tailor-Welded-Strips oder -Blanks unterschiedliche Bleche verschiedener Materialien und/oder Materialdicken in der Regel mit dem Laserstrahl eines Lasergerätes gefügt werden.
Es hat sich gezeigt, dass sich die höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stähle kaum zur Herstellung von Mischverbindungen eignen. Möchte man also dennoch ein Blech als Strukturbauteil oder zur Herstellung eines Strukturbauteiles mit lokal unterschiedlichen Materialeigenschaften erhalten, stellt das zuvor beschriebene „Entfestigen“, insbesondere das „Laserentfestigen“ eine Möglichkeit dar, dieses Ziel ohne Mischverbindungen, das heißt Verbindungen von Bauteilen aus verschiedenen Materialien, zu erreichen.
Es können wie nachfolgend noch erläutert wird, exakt an die Bauteilanforderungen angepasste und geometrisch sehr komplexe Formen präzise in den dafür gewünschten Bereichen B entfestigt werden, so dass aus einem Ausgangszustand des höchstfesten FeMn-Stahles durch Entfestigung der Bereiche mit verschiedenen Materialeigenschaften ausgebildet werden.
Die höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stähle eignen sich hierfür besonders gut, da ausgehend von den verfügbaren höchstfesten Güten (Streckgrenze > 1100 MPa) stufenlos bis zur Grundgüte (circa 500MPa) beliebige Materialeigenschaften eingestellt werden können.
Geometrisch exakt an die Bauteilgeometrie angepasste Materialeigenschaften sind über die Technologie der Tailor-Welded-Strips oder -Blanks nicht zu erreichen. Bei der Technologie der Tailor-Welded-Strips oder -Blanks werden wie erläutert beispielsweise drei Materialien (Material 1, 2, 3) durch Lasernähte miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß erlaubt das hier vorgeschlagene Verfahren die Verwendung eines einzigen Grundmaterials, welches in verschiedenen Bereichen durch „Laserentfestigen“ nach der entsprechenden Wärmebehandlung unterschiedliche Materialeigenschaften aufweist.
Beispielsweise kann in einem ersten Bereich in dem einzigen verwendeten Ausgangsmaterial aus dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl komplexe Formen generiert werden, wonach eine entsprechende „Laserentfestigung“ durchgeführt wird, so dass das Material die Eigenschaften des Materials 1 erhält.
Analog dazu wird in einem zweiten Bereich eine weitere geometrische Form generiert, die nach entsprechender „Laserentfestigung“ die Materialeigenschaften des Materials 2 aufweist.
Es kann durch eine beispielsweise flächige Bearbeitung ferner über eine komplette Breite des Ausgangsmaterials des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles in einem dritten Bereich durch „Laserentfestigung“ eine Materialveränderung bewirkt werden, so dass beispielsweise ähnliche Materialeigenschaften wie bei dem Material 3 erzeugt werden. Es müssen somit nicht mehr verschiedene Materialien 1, 2, 3 miteinander verbunden werden, wie es bei der Technologie der Tailor-Welded-Strips oder -Blanks notwendig ist, sondern ausgehend von einem einzigen Ausgangsmaterial werden durch die beschriebene „Laserentfestigung“ verschiedene Materialeigenschaften erzeugt.
Zur Verdeutlichung werden Halbzeuge beziehungsweise fertige Strukturbauteile vorgestellt, deren Materialeigenschaften durch das zuvor beschriebene Verfahren in vorteilhafter Weise verändert werden.
Die 3A zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel. Die 3A zeigt ein Rohr 10 vor und nach dem Biegen 10’, welches nicht erfindungsgemäß wärmebehandelt worden ist.
In dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl des Rohres 10 liegt nach der Umformung (Biegen) beispielsweise ein Riss R+ vor. Es besteht bei einer Vorgehensweise nach dem Stand der Technik ein hohes Riss-Risiko.
Die 4B zeigt das Rohr 10 vor und als erstes Strukturbauteil 10’ nach dem Biegen, welches erfindungsgemäß vor oder während oder nach der Umformung in einem Bereich B10 wärmebehandelt worden ist.
Auf der späteren Zugseite wird das Rohr 10 beispielsweise vor dem Biegen an der Stelle/ in dem Bereich B10, in der/ in dem das größte Riss-Risiko besteht, gemäß der Erfindung mit einem Laserstrahl unter Ausbildung einer Lasernaht 11 mit Wärme behandelt.
In vorteilhafter Weise kommt es in diesem Bereich zur Erhöhung der Duktilität und die Bruchdehnungsreserve nimmt, wie erläutert, in dem wärmebehandelten Bereich B10 zu. Eine Behandlung mit Wärme, insbesondere einem Laserstrahl, ist auch auf der späteren Druckseite beziehungsweise auf der Druck- und Zugseite ausführbar.
Es zeigt sich, dass das umgeformte (gebogene) Rohr 10’ des ersten Anwendungsbeispieles nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles auf der Zugseite des Rohrmaterials keinen Riss R- mehr aufweist.
Es besteht somit durch „Laserentfestigung ein geringeres Riss-Risiko bei der Umformung (Biegen) des Rohres 10. Die „Laserentfestigung“ eignet sich für Vollprofil-Rohre als auch für Hohlprofil-Rohre sowie für offene Profil-Rohre.
Diese Vorgehensweise ist analog auf das Biegen von Blechen oder auf andere nichtrunde Halbzeuge, insbesondere auf quadratische, rechteckige Vollprofile als auch auf Hohlprofile sowie auf offene Profile übertragbar. Die „Laserentfestigung“ kann bei Blechen analog zu den Rohren oder anderen nichtrunden Halbzeugen einseitig oder beidseitig erfolgen.
Insbesondere bei Blechen hat sich in vorteilhafter Weise herausgestellt, dass die Einbringung mindestens einer Lasernaht, insbesondere einer eingeschweißten Lasernaht gegenüber anderen Wärmebehandlungsmethoden einen Verzug des Strukturbauteiles reduziert. Durch die schlechtere Wärmeleitung und den hohen Materialausdehnungskoeffizienten des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles im Vergleich zu anderen herkömmlichen Stählen neigen Strukturbauteile aus FeMn-Stahl bei der Wärmebehandlung zum Verzug. Insbesondere großflächige Strukturbauteile sind davon betroffen. Versuche haben ergeben, dass der Verzug besonders gering ist, wenn die Lasernaht durchgeschweißt wird. Mit anderen Worten wird dafür gesorgt, dass die Lasernaht innerhalb des Materials symmetrisch ausgebildet wird. Eine symmetrische Nahtausbildung minimiert somit in vorteilhafter Weise den Verzug. Ein als flächiges Blechteil ausgebildetes Strukturbauteil wird nachfolgend beispielhaft erläutert. Bei der Wärmebehandlung des Bleches 20 mittels Laserentfestigung tritt nur ein sehr geringer Verzug auf.
Die 4A zeigt ein zweites Anwendungsbeispiel. Die 4A zeigt ein Blech 20 vor und nach dem Tiefziehen 20, welches nicht erfindungsgemäß wärmebehandelt worden ist. In dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl des Bleches 20 liegt nach der Umformung (Biegen) ein Riss R+ vor. Es besteht bei einer Vorgehensweise nach dem Stand der Technik ein hohes Riss-Risiko.
Die 4B zeigt das Blech 20 vor und als zweites Strukturbauteiles 20’ nach dem Tiefziehen, welches erfindungsgemäß vor oder auch während der Umformung oder nach der Umformung in einem Bereich B20 wärmebehandelt worden ist.
In dem später innerhalb des Umformungsvorganges oder danach auftretenden Kräften belasteten Bereich B20 wird das Blech 20 vor dem Tiefziehen an der Stelle oder in dem Bereich B20, in der/ in dem das größte Riss-Risiko besteht, gemäß der Erfindung mit Wärme, insbesondere einem Laserstrahl unter Ausbildung einer Lasernaht 21, behandelt.
In vorteilhafter Weise kommt es in diesem Anwendungsbeispiel als kreisrunde Lasernaht ausgebildeten Nahtbereich zur Erhöhung der Duktilität und die Bruchdehnungsreserve nimmt, wie erläutert in dem wärmebehandelten Bereich B20 zu.
Eine Behandlung, insbesondere mit einem Laserstrahl 21 mit Wärme ist auch auf der späteren Rückseite ausführbar.
Es zeigt sich, dass das umgeformte (tiefgezogene) Blech 20’ des zweiten Anwendungsbeispieles nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles auf der Vorderseite des Blechmaterials keinen Riss R- aufweist.
Es besteht somit durch „Laserentfestigung“ ein geringeres Riss-Risiko bei der Umformung (Tiefziehen) des Bleches 20 zu einem Strukturbauteiles 20’.
Die „Laserentfestigung“ eignet sich sowohl für Bleche verschiedener Blechstärken aus einem Vollmaterial als auch für hohle profilierte Bleche sowie für offene profilierte Bleche.
Die als Halbzeuge vorgefertigten Bleche können quadratisch, rechteckig und wie in Figur A und 5 gezeigt runde Bleche sein.
Die 5A zeigt ein drittes Anwendungsbeispiel. Die 5A zeigt ein blechartiges bereits umgeformtes Sitzseitenteil 30’ aus einem herkömmlichen Stahl, welches jedoch noch nicht wärmebehandelt worden ist. Die 5A zeigt das bereits umgeformte Sitzseitenteil als drittes Strukturbauteiles 30’. In dem mindestens einen Bereich B30 liegt im bestimmungsgemäßen Gebrauch ein hohes Riss-Risiko vor.
Ein solches Strukturbauteil weist eine relativ hohe Blechstärke auf, wobei die Blechstärke durch eine mögliche Rissstelle oder Knickstelle innerhalb des Materials während eines Crashfalls vorgegeben wird.
Das Strukturbauteil weist gegenüber höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stählen eine geringere Festigkeit auf, wobei die Duktilität eher hoch ist.
Gemäß der Aufgabenstellung der Erfindung ist es jedoch wünschenswert ein höchstfestes Strukturbauteil auszubilden, welches nur in risikobehafteten Bereichen eine hohe Duktilität aufweist.
Die 6B zeigt das vollständig aus einem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl gefertigte und bereits umgeformte Sitzseitenteil 30’ mit einem Bereich B30 der mittels "Laserentfestigung“ behandelt worden ist.
Es hat sich herausgestellt, dass in einem Crashfall die Stabilität des Sitzseitenteiles insgesamt verbessert wird, wenn der mit B30 dargestellte Bereich durch die Einbringung von entsprechenden nicht näher dargestellten Lasernähten 31 mittels eines Laserstrahls zumindest lokal stellenweise oder bereichweise entfestigt wird.
Ein solches Strukturbauteil 30’ weist insgesamt eine niedrige Blechstärke auf, da für das gesamte Bauteil höchstfester kaltverfestigter FeMn-Stahl verwendet wird.
In einem Bereich des Strukturbauteiles 30’ in dem eine hohe Festigkeit mit geringer Duktilität gewünscht ist, wird keine "Laserentfestigung“ durchgeführt, so dass dort hohe Festigkeit mit geringer Duktilität vorliegt. Die hohe Festigkeit wird dadurch erhalten, da in einem vorgebbaren Bereich keine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Dieser mindestens eine Bereich ist beispielsweise dort, wo eine Anbindung des Sitzseitenteiles an ein weiteres Bauteil, beispielsweise an einen Lehnendrehversteller (indirekte Anbindung) oder an ein Rückenlehnenteil (direkte Anbindung) erfolgen soll.
In dem Bereich B30 des Sitzseitenteiles 30’ wird im Crashfall eine hohe Duktilität gewünscht. Es wird die Bruchdehnungreserve erhöht, wobei gleichzeitig in vertretbarer Weise bewusst auf eine sehr hohe Festigkeit verzichtet wird.
Die 6A zeigt ein viertes Anwendungsbeispiel. Die 6A zeigt ein als kreisrundes Blech 40 ausgebildetes Halbzeug vor und nach dem Kragenziehen, welches als Beschlagteil eines Lehnendrehverstellers als viertes Strukturbauteil 40 umgeformt wird, welches jedoch nicht erfindungsgemäß wärmebehandelt worden ist.
In dem höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahl des Beschlagteiles 40 liegt nach der Umformung (Kragenziehen) ein Riss R+ vor. Es besteht somit bei einer Vorgehensweise nach dem Stand der Technik ein hohes Riss-Risiko.
Die 6B zeigt das vierte Strukturbauteil 40’ als Beschlagteil vor und nach dem Kragenziehen 40’, welches erfindungsgemäß in einem Bereich B40 wärmebehandelt worden ist.
In dem später belasteten Bereich B40 (in dem Kragenzug 42) wird das Beschlagteil 40 vor dem Tiefziehen an der Stelle/ oder in dem Bereich B40, in der/in dem das größte Riss-Risiko besteht, gemäß einer der Ausführung der Erfindung mit einem Laserstrahl unter Ausbildung einer Lasernaht 41 mit Wärme behandelt.
In vorteilhafter Weise kommt es in diesem Anwendungsbeispiel bei Ausbildung eines als kreisrunde Lasernaht ausgeführten Nahtbereiches zur Erhöhung der Duktilität innerhalb des Nahtbereiches und die Bruchdehnungsreserve nimmt, wie erläutert, in dem wärmebehandelten Bereich B40 zu. Eine Behandlung des Halbzeuges mit einem Laserstrahl mit Wärme ist auch auf der späteren Rückseite des Beschlagteiles 40’ ausführbar.
Es zeigt sich, dass das umgeformte (kragengezogene) Beschlagteil 40’ des vierten Anwendungsbeispieles nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles auf der Vorderseite des Blechmaterials keinen Riss R- aufweist.
Es besteht somit bei der Umformung (Kragenziehen) des Bleches 40’, insbesondere durch „Laserentfestigung“ ein geringeres Riss-Risiko im umgeformten laserentfestigten Bereich B40.
Die „Laserentfestigung“ eignet sich, wie erläutert, für Bleche verschiedener Blechstärken aus einem Vollmaterial als auch für hohle profilierte Bleche sowie für offene profilierte Bleche. Die als Halbzeuge vorgefertigten Bleche können quadratisch, rechteckig und wie in den 4A, 4B und in den 6A, 6B gezeigt rund sein.
Die 7 zeigt nachfolgend der Übersicht halber einen Fahrzeugsitz F mit einem Sitzteil 12 und einem Rückenlehnenteil 14. Nur beispielhaft ist in dem Sitzteil 12 das wärmebehandelte dritte Strukturbauteil 30’ in der Art eines Sitzseitenteiles gemäß der 5B angeordnet.
Innerhalb eines Drehverstellers der 7 ist beispielsweise ein viertes wärmebehandeltes Strukturbauteil 40’ in der Art eines Beschlagteiles nach 6B des Drehverstellers angeordnet.
Schließlich zeigt die 7 das Rückenlehnenteil 14 mit einem ersten wärmebehandelten Strukturbauteil 10’ in der Art eines Rückenlehnenseitenteiles nach 3B oder 4B oder 5B.
Bezugszeichenliste

F: Fahrzeugsitz
12: Sitzteil
14: Rückenlehnenteil
Bn: n-ter Bereich (n = 1 bis 5) eines wärmebehandelten Strukturbauteiles
10: erstes Halbzeug vor einer Umformung zu einem ersten Strukturbauteil
10’: erstes Strukturbauteil nach der Umformung
B10: wärmebehandelter Bereich des ersten Strukturbauteiles
11: Lasernaht des ersten Strukturbauteiles
20: zweites Halbzeug vor einer Umformung zu einem zweiten Strukturbauteil
20’: zweites Strukturbauteil nach der Umformung
B20: wärmebehandelter Bereich des zweiten Strukturbauteiles
21: Lasernaht des zweiten Strukturbauteiles
30’: drittes Strukturbauteil
B30: wärmebehandelter Bereich des dritten Strukturbauteiles
31: Lasernaht des ersten Strukturbauteiles
40: viertes Halbzeug vor einer Umformung zu einem vierten Strukturbauteil
40’: viertes Strukturbauteil nach der Umformung
B40: wärmebehandelter Bereich des vierten Strukturbauteiles
41: Lasernaht des vierten Strukturbauteiles
42: Kragenzug
100-Kn: n-tes Blech (n = 1 bis 5)
100-K1: erstes Blech
100-K2: zweites Blech
100-K2: drittes Blech (n = 1 bis 5)
100-K4: viertes Blech
100-K4: fünftes Blech
Kn: n-te Kennlinie (n = 1–5)
K1: erste Kennlinie
K2: zweite Kennlinie
K3: dritte Kennlinie
K4: vierte Kennlinie
K5: fünfte Kennlinie
R–: geringes Riss-Risiko; kein Riss
R+: hohes Riss Risiko; vorhandener Riss
K–: geringe Knick-Gefahr; kein Knick
K+: hohe Knick-Gefahr; vorhandener Knick

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010018602 A1 [0003, 0004]
DE 102011118285 A1 [0019, 0048]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) zur gezielten Beeinflussung mindestens einer Materialeigenschaft in mindestens einem Bereich (Bn) des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) zur Steuerung des Verformungsverhaltens während der Umformung eines Halbzeuges (10, 20, 40) zu einem Strukturbauteil (10’, 20’, 40’) und/oder zur Steuerung des Verformungsverhaltens während eines Crashfalls bei der bestimmungsgemäßen Verwendung eines umgeformten Strukturbauteiles (30’), dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Halbzeug (10, 20, 40) und das umgeformte Strukturbauteil (40’) aus einem hochmanganhaltigen höchstfesten, weil kaltverfestigten, aus den Hauptbestandteilen Eisen (Fe) und Mangan (Mn) bestehenden Leichtbaustahl (FeMn-Stahl) ausgebildet ist, und das Material des Halbzeuges (10, 20, 40) und/oder des Strukturbauteiles (30’) in mindestens einem vorgebbaren Bereich (Bn) lokal mit Wärme behandelt wird, wodurch in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich (Bn) die Duktilität erhöht, und dadurch in dem mindestens einen Bereich (Bn) eine Bruchdehnungsreserve gebildet wird, wodurch die bei der Umformung und/oder der bestimmungsgemäßen Verwendung in das Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) eingeleitete Energie zu einer energieabsorbierenden reversiblen plastischen Verformung des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) führt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmebehandlung der Schmelzpunkt des Materials nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wärmebehandlung der Schmelzpunkt des Materials überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung vor der Umformung des Halbzeuges (10, 20, 40) zu dem Strukturbauteil (10’, 20’, 40’) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung während der Umformung des Halbzeuges (10, 20, 40) zu dem Strukturbauteil (10’, 20’, 40’) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung des bereits umgeformten Strukturbauteiles (30’) nach dessen Umformung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) lokal als einzelne Lasernaht (11, 21, 31, 41) in dem mindestens einen dafür vorgesehenen Bereich (Bn) mittels eines Lasergerätes oder lokal durch Anordnung mehrerer nah beieinander liegender Lasernähte (11, 21, 31, 41) unter Ausbildung einer wärmebehandelten Fläche durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine prozentuale Veränderung der Festigkeit des höchstfesten Materials im Sinne der Zunahme der Duktilität bei gleichzeitiger Reduzierung der Festigkeit des Materials durch die Auswahl und Festlegung einer Spurbreite und/oder einer Tiefe der mindestens einen Lasernaht (11, 21, 31, 41) innerhalb der Wärmebehandlung des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung durch Biegen und/oder Tiefziehen und/oder Kragenziehen durchgeführt wird.
Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) mit mindestens einer in mindestens einem vorgebbaren Bereich (Bn) gezielt beeinflussten Materialeigenschaft zur Steuerung des Verformungsverhaltens des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) während der Umformung eines Halbzeuges (10, 20, 40) zu dem Strukturbauteil (10’, 20’, 40’) und/oder zur Steuerung des Verformungsverhaltens des Strukturbauteiles (30’) während eines Crashfalls bei der bestimmungsgemäßen Verwendung eines umgeformten Strukturbauteiles (30’), dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Halbzeug (10, 20, 40) und das umgeformte Strukturbauteil (40’) aus einem hochmanganhaltigen höchstfesten, weil kaltverfestigten, aus den Hauptbestandteilen Eisen (Fe) und Mangan (Mn) bestehenden Leichtbaustahl (FeMn-Stahl) ausgebildet ist, und das Material des Halbzeuges (10, 20, 40) und/oder des Strukturbauteiles (30’) in dem mindestens einem vorgebbaren Bereich (Bn) lokal mit Wärme behandelt ist, wodurch in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich (Bn) die Duktilität erhöht, und dadurch in dem mindestens einen Bereich (Bn) eine Bruchdehnungsreserve gebildet wird, wodurch die bei der Umformung und/oder im bestimmungsgemäßen Verbrauch in das Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) eingeleitete Energie zu einer energieabsorbierenden reversiblen plastischen Verformung des Strukturbauteiles (10’, 20’, 30’, 40’) führt.
Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der lokalen Wärmebehandlung in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich (Bn) der Schmelzpunkt des Materials nicht überschritten ist.
Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der lokalen Wärmebehandlung in dem mindestens einen vorgebbaren Bereich (Bn) der Schmelzpunkt des Materials überschritten ist.
Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) mindestens eine einzelne lokale Lasernaht (11, 21, 31, 41) in dem mindestens einen dafür vorgesehenen Bereich (Bn) oder mehrere nah beieinander liegende eine wärmebehandelte Fläche bildende lokale Lasernähte (11, 21, 31, 41) aufweist.
Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in mindestens einem Bereich (Bn) wärmebehandelte Strukturbauteil (10’, 20’, 30’, 40’), insbesondere ein Rückenlehnen-Kopfblech, eine Kopfstützen-Aufnahme, eine obere Rückenlehnen-Quertraverse, ein Rückenlehnen-Seitenholm, ein unteres Rückenlehnen- Querrohr, ein hinteres Sitzteil-Querrohr, eine Sitzteil-Wanne, ein Sitzfuß oder eine Sitzschiene, ein Sitzseitenteil (30’) oder ein Beschlagteil (40’) ist.
Fahrzeugsitz (100) mit mindestens einem Strukturbauteil nach Anspruch 10 und/oder hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 1.
Umformwerkzeug zur Umformung eines Halbzeuges (10, 20, 40) nach dem Verfahren nach Anspruch 1 zu einem Strukturbauteil (10’, 20’, 40’) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wärmequelle, insbesondere ein Laserbearbeitungskopf eines Lasergerätes in dem Umformwerkzeug integriert angeordnet ist.