DE102014116695A1

DE102014116695A1 - Karosserie- oder Fahrwerkbauteil eines Kraftfahrzeugs mit Korrosionsschutz sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014116695A1
Application number: DE102014116695.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Frehn; Georg Frost; Andreas Tomitz; Sven Babel
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Benteler Automobiltechnik GmbH; Hoesch Hohenlimburg GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Benteler Automobiltechnik GmbH; ThyssenKrupp Hohenlimburg GmbH
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-19
Also published as: WO2016074666A1

Abstract

Es wird ein Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) für ein Kraftfahrzeug mit verbessertem Korrosionsschutz vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Flächenabschnitt (2, 3) aus einem dreilagigen Blechverbund (10) mit einer Mittellage (11) und zwei die Mittellage (11) nach außen begrenzenden Außenlagen (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlagen (12, 13) aus einer ferritischen Stahllegierung und die Mittellage (11) aus einer vergütbaren Stahllegierung bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Karosserie- oder Fahrwerkbauteil für ein Kraftfahrzeug mit Korrosionsschutz sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Karosserie- oder Fahrwerkbauteil.
In der Fahrzeugindustrie werden für die Karosserie crashrelevante Bauteile eingesetzt, die dem Fahrzeug Stabilität und Steifigkeit verleihen und im Falle eines Unfalls Crashenergie aufnehmen und den Insassen einen Überlebensraum sichern. Ebenso werden im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs hochbeanspruchte Bauteile eingesetzt, die eine hohe Steifigkeit und dynamische Belastbarkeit besitzen. Neben den Anforderungen an die bestmöglichen statischen und dynamischen Eigenschaften unterliegen diese Karosserie- oder Fahrwerkbauteile auch hohen Anforderungen an den Korrosionsschutz sowie der Wirtschaftlichkeit.
Aus der DE 10 2008 022 709 A1 ist es bekannt, Karosserie- und Fahrwerkbauteile bereitzustellen aus einem Blechverbund, mit einer Mittellage und zwei die Mittellage nach außen begrenzenden Außenlagen. Dabei soll eine der Lagen aus einer hochfesten Stahllegierung bestehen und die Lagen durch Walzplattieren zu Blechbändern weiterverarbeitet und anschließend zu Bauteilen geformt werden. Es werden verschiedene Werkstoffkombinationen für einzelne Anwendungsfelder vorgeschlagen, die allesamt jedoch noch verbesserungswürdig hinsichtlich eines Fahrzeugleichtbaus sind.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Karosserie- oder Fahrwerkbauteil für ein Kraftfahrzeug mit einem qualitativ hochwertigen Korrosionsschutz sowie Leichtbaupotential vorzuschlagen, welches kostengünstig herstell- und verarbeitbar ist und ein Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird gegenständlich gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Davon abhängige Ansprüche 2 bis 14 bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Verfahrensmäßig gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 15. Die Unteransprüche 16 und 17 stellen vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens dar.
Es wird ein Karosserie- oder Fahrwerkbauteil für ein Kraftfahrzeug mit verbessertem Korrosionsschutz vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Flächenabschnitt aus einem mehrlagigen, insbesondere dreilagigen Blechverbund mit einer Mittellage und zwei die Mittellage nach außen begrenzenden Außenlagen. Kennzeichen dabei ist, dass die Außenlagen aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung und die Mittellage aus einer vergütbaren Stahllegierung besteht. Dies erlaubt ein Höchstmaß an Korrosionsschutz während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs auch unter Berücksichtigung rauer Verarbeitungs- und Betriebsbedingungen.
Als vergütbare Stahllegierung eignet sich besonders ein Mangan-Bor-Stahl wie zum Beispiel 22MnB5.
Als ferritisch nichtrostenden Stahllegierung hat sich besonders vorteilhaft die Verwendung einer Legierung erwiesen, die neben erzschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Eisen (Fe) folgende Legierungsbestanteile in Gewichtprozent (Gew.-%) umfasst:
Kohlenstoff (C): 0,08 % bis 0,16 %
Silizium (Si): 0,5 % bis 1,8 %
Mangan (Mn): 0,8 % bis 1,4 %
Chrom (Cr): 13,0 % bis 22,0 %
Aluminium (Al): 0,5 % bis 1,5 %
Phosphor (P): maximal 0,06 %
Schwefel (S): maximal 0,02 %.
Während Chrom die Hitzebeständigkeit und damit eine zunderfreie Oberfläche bei der Erwärmung und Warmumformung sicherstellt, sorgt die vergütbare Stahllegierung der Mittellage für ein Höchstmaß an Zugfestigkeit.
Um das Leichtbaupotential der vergütbaren Stahllegierung maximal auszunutzen, weist erfindungsgemäß bevorzugt die Mittellage des Flächenabschnittes ein ultrahochfestes Gefüge mit mindestens 80 Prozent Martensit auf. Dabei beträgt die Zugfestigkeit Rm innerhalb des Flächenabschnitts mit dreilagigem Blechverbund größer als 1300 Megapascal (MPa). Der Flächenabschnitt ist vollständig gehärtet.
Es ist weiterhin möglich, dass die Mittellage eines Flächenabschnitts ein Gefüge aufweist ausgewählt aus einer Gruppe aus angelassenem Martensit mit einem Anteil von mindestens 80 Prozent oder einem Mischgefüge mit mindestens 70 Prozent Anteilen an Ferrit und Perlit sowie Restanteil Martensit, Restaustenit und/oder Bainit.
Die Prozentangaben der Gefügebestandteile beziehen sich auf metallografisch leicht ermittelbare Flächenanteile.
Bevorzugt weist der Flächenabschnitt mit dem dreilagigen Blechverbund eine Gesamtdicke und die Außenlage eine Dicke auf, wobei die Dicke der Außenlage mindestens 3 Prozent und höchstens 10 Prozent, bevorzugt 4 Prozent bis 10 Prozent der Gesamtdicke dieses Flächenabschnitts entspricht. Eine dickere Außenlage bringt unter Korrosionsschutzaspekten kaum noch Vorteile, reduziert aber die Gesamtfestigkeit des Flächenabschnitts deutlich. Eine dünnere Außenlage ist aktuell nur schwer prozesssicher walztechnisch herzustellen.
Durch die ferritisch nichtrostende Außenlage weist das Bauteil eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Die Korrosionsgeschwindigkeit bei normaler Atmosphäre beträgt in Dickenrichtung des dreilagigen Blechverbundes höchstens 10 Mikrometer pro Jahr beziehungsweise bei Meeresatmosphäre höchstens 50 Mikrometer pro Jahr. Meeresatmosphäre bedeutet in dem Zusammenhang, dass die Umgebungsbedingungen in Meerküstengebieten und bei Überseetransportbedingungen zur Ermittlung der Korrosionsgeschwindigkeit genutzt oder nachgestellt werden. Dabei wird die maximale Eindringtiefe von einer Oberfläche der Außenlage in Richtung der Dicke des Blechverbundes gemessen.
In einer verbesserten Weiterbindung der Erfindung weist das Karosserie- oder Fahrwerkbauteil einen zweiten Flächenabschnitt aus einem dreilagigen Blechverbund auf. Dabei weist der erste Flächenabschnitt eine erste Mittellage mit einem Gefüge mit mindestens 80 Prozent Martensit auf, während der zweite Flächenabschnitt eine zweite Mittellage mit einem Gefüge aufweist aus angelassenem Martensit mit einem Anteilen von mindestens 80 Prozent oder einem Mischgefüge mit mindestens 70 Prozent Anteilen an Ferrit und Perlit sowie Restanteil Martensit, Restaustenit und/oder Bainit. Somit lassen sich Bauteile erzeugen mit weicheren und duktileren Flächenabschnitten.
Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die erste Mittellage und die zweite Mittellage jeweils eine Dicke aufweisen und die Dicke der ersten Mittellage sich von der Dicke der zweiten Mittellage unterscheidet. Ein besonders dicker Flächenabschnitt kann so in Zonen höchster Spannung und Belastbarkeit angeordnet werden oder da, wo eine Materialstärkung inmitten eines dünneren Flächenabschnittes zum Fügen beispielsweise mittels Niet oder Schraube erforderlich ist.
Der erste Flächenabschnitt kann dabei eine Gesamtdicke aufweisen, die sich von der Gesamtdicke des zweiten oder weiteren Flächenabschnittes um wenigstens 10 Prozent, insbesondere zwischen 20 und 50 Prozent unterscheidet.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen werden, dass das Karosserie- oder Fahrwerkbauteil einen zweiten Flächenabschnitt oder weiteren Flächenabschnitten aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung aufweist. Besonders können die Flächenabschnitte des Karosserie- oder Fahrwerkbauteils miteinander stumpf verschweißt aneinander grenzen.
Es ist aber auch möglich, dass das Karosserie- oder Fahrwerkbauteil einen zweiten Flächenabschnitt aus einer niedriglegierten Stahllegierung aufweist, insbesondere sind die Flächenabschnitte wiederum miteinander stumpf verschweißt.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Karosserie- oder Fahrwerkbauteil einen Rand aufweist und der Rand in einer Stirnseite im Flächenabschnitt mit dreilagigem Blechverbund wenigstens abschnittsweise von der Außenlage umgriffen ist, derart, dass die Stirnseite der Mittellage von der Umgebung durch die Außenlage abgeschirmt ist.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteile eines Kraftfahrzeugs gemäß der Erfindung sind insbesondere Türsäulen, vor allem in Form einer Mittelsäule, Dachrahmen, Schweller, Stoßfängerquerträger, Längsträger, Bodenquerträger sowie Querlenker, Längslenker, Stabilisator und Verbundlenker.
Bei einer Türsäule oder einem Dachrahmen des Kraftfahrzeugs ist bevorzugt, dass der zweite Flächenabschnitt oder ein weiterer Flächenabschnitt mit niedriger Zugfestigkeit im Rand angeordnet ist.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Karosserie- oder Fahrwerkbauteils mit den Schritten:

• Bereitstellen einer Blechplatine umfassend wenigstens einen Flächenabschnitt aus einem dreilagigen Blechverbund mit einer Mittellage aus einer vergütbaren Stahllegierung und je einer die Mittellage begrenzenden Außenlage,
• Erwärmen des Blechverbunds wenigstens abschnittsweise auf Austenitisierungstemperatur,
• Warmumformen der Blechplatine in einem wenigstens bereichsweise gekühlten Pressformwerkzeugs und
• wenigstens teilweises Härten der geformten Blechplatine im Pressformwerkzeug oder in einer nachfolgenden Kühlwerkzeugstufe.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei dem Verfahren dann, wenn das Warmumformen und Härten der Blechplatine in einer einzigen Presse mit mehreren Werkzeugstufen durchgeführt wird. Alternativ oder bevorzugt zugleich kann vorgesehen werden, dass das Erwärmen und Warmumformen der Blechplatine in einer einzigen Presse mit mehreren Werkzeugstufen durchgeführt wird. Somit wird in einem einzelnen Pressentakt gleichzeitig jeweils wenigstens eine Blechplatine erwärmt, warmgeformt und gehärtet. Es versteht sich, dass bei Anwendung von mit Servomotor betriebenen oder mechanischen Pressen eine extrem hohe Taktzeit und damit ein hoher Durchsatz ermöglicht werden.
Bei der Erwärmung der Blechplatine ist eine Kontakterwärmung besonders günstig. Eine Kontakterwärmung zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Wärmeverluste aus. Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch unterschiedlich temperierte Kontaktplatten vor dem Warmformen einen ersten Flächenabschnitt der Blechplatine auf mehr als Austenitisierungstemperatur und einen zweiten Flächenabschnitt auf weniger als 700°C einzustellen. Dies gilt auch für eine Temperierstufe nach dem Erwärmen und vorgeschaltet dem Pressformenwerkzeug.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen anhand von schematischen Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Dabei zeigen:
1a) und b) zwei Anwendungsbeispiele für erfindungsgemäße Karosserie- und Fahrwerkbauteile,
2 eine erste Ausführungsform eines dreilagigen Blechverbundes für einen Flächenabschnitt des erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils in einem technisch vereinfachten Querschnitt,
3 ein erfindungsgemäßes Karosseriebauteil in modifizierter Ausführungsform,
4 eine zweite Ausführungsform eines dreilagigen Blechverbundes für einen Flächenabschnitt des erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils,
5 eine dritte Ausführungsform eines dreilagigen Blechverbundes für einen Flächenabschnitt des erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils,
6a) und b) zwei weitere Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Karosseriebauteil,
7 eine vierte Ausführungsform eines dreilagigen Blechverbundes für einen Flächenabschnitt des erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils,
8 eine fünfte Ausführungsform eines dreilagigen Blechverbundes für einen Flächenabschnitt des erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils,
9 eine sechste Ausführungsform eines dreilagigen Blechverbundes für einen Flächenabschnitt des erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils,
10 ein erfindungsgemäßes Karosserie- oder Fahrwerkbauteil in einem Randausschnitt,
11a) ein erster Verfahrensablauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens und 11b) eine Abwandlung des ersten Verfahrensablaufes,
12 ein alternativer Verfahrensablauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens,
13a) bis d) eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils in einer Draufsicht und in einem Querschnitt.
1 zeigt zwei vorteilhafte Anwendungsbeispiele für erfindungsgemäße Karosserie- und Fahrwerkbauteile 1 jeweils in einer Draufsicht sowie Querschnittsdarstellungen.
1a) zeigt eine Mittelsäule 20 für die Seitenstruktur eines Kraftfahrzeugs, welche zwischen Schweller und Dachrahmen einsetzbar ist und vor allem der Gesamtstabilität der Fahrzeugkarosse sowie dem Kollisionsenergieabbau und Intrusionsschutz während eines Seitenaufpralls dient.
1b) stellt einen Querlenker 30 einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugfahrwerks dar.
Beide Beispiele stellen Karosserie- oder Fahrwerkbauteile 1 aus Blech dar, die mittels Pressformen dreidimensional geformt wurden. Sowohl die Mittelsäule 20 als auch der Querlenker 30 umfassen wenigstens einen Flächenabschnitt 2 aus einem dreilagigen Blechverbund 10 mit, wie 2 näher zeigt, einer Mittellage 11 und zwei die Mittellage 11 nach außen begrenzenden Außenlagen 12, 13, wobei die Außenlagen 12, 13 aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung und die Mittellage 11 aus einer vergütbaren Stahllegierung bestehen. Die Zugfestigkeit Rm innerhalb des Flächenabschnitts 2 mit dreilagigem Blechverbund 10 beträgt mehr als 1300 MPa.
Im Schnitt B und C der 1a) und 1b) ist jeweils angedeutet ein Ausschnitt, der in der 2 vergrößert gezeigt wird und den Aufbau des dreilagigen Blechverbunds 10 näher beschreibt.
2 zeigt eine erste Ausführungsform des dreilagigen Blechverbundes 10 für einen Flächenabschnitt 2 des erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils 1 ausschnittsweise in Querschnitt. Eine Mittellage 11 des Flächenabschnitts 2 ist an ihrer in der Bildebene oben befindlichen Oberseite 7 begrenzt durch eine Außenlage 12, und an in der Bildmitte unten befindlichen Unterseite 8 begrenzt durch eine weitere Außenlage 13. Es besteht eine metallurgische Verbindung zwischen Mittellage 11 und den Außenlagen 12, 13, so dass eine Ablösung der Außenlagen 12, 13 von der Mittellage 11 ausgeschlossen, die Schweißbarkeit, Umformbarkeit und sonstige mechanische Bearbeitbarkeit jedoch recht einfach möglich sind. Der Blechverbund 10 weist eine Gesamtdicke D2 sowie eine Dicke der Mittellage Dm und eine Dicke der Außenlage Da auf.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Karosseriebauteil 1 in Form der Mittelsäule 20' nach 1 in modifizierter Ausführungsform dargestellt. Hier wird die Mittelsäule 20' gebildet aus einem ersten Flächenabschnitt 2 mit einem dreilagigem Blechverbund 10 in einem oberen Teilbereich 21 der Mittelsäule 20' sowie aus einem zweiten Flächenabschnitt 3 mit einem dreilagigen Blechverbund 15 in einem zweiten Teilbereich 22 der Mittelsäule. Der zweite Teilbereich 22 der Mittelsäule 20' verläuft etwa bis knapp unterhalb einer Türschlossanbindung für eine Fahrzeugtür (nicht gezeigt). Zwischen dem ersten Flächenabschnitt 2 und dem zweiten Flächenabschnitt 3 ist eine Schweißnaht 40 ausgebildet, wobei beide Flächenabschnitte 2, 3 stumpf aneinander stoßend gefügt sind, insbesondere vor einer dreidimensionalen Pressformgebung zum Karosseriebauteil 1. Im Querschnitt B-B auf Höhe der Schweißnaht 40 angedeutet ist der Ausschnitt des Blechverbunds 10, 15, welcher in den 4 und 5 näher betrachtet wird.
In 4 ersichtlich ist der Aufbau des Blechverbundes gemäß 3, welcher im zweiten Flächenabschnitt 3 eine Mittellage 16 aus einer niedriglegierten Stahllegierung sowie Außenlagen 17, 18 aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung aufweist. Die Außenlagen 12, 13 des ersten Flächenabschnittes 2 entsprechen hinsichtlich des Werkstoffs den Außenlagen 17, 18 des zweiten Flächenabschnitts 3. Wie beim Blechverbund gemäß 2 besteht auch hier eine metallurgische Verbindung zwischen der Mittellage 2 und den Außenlagen 12, 13. Zudem sind auch die Außenlagen 17 und 18 metallurgisch und dauerhaft fest mit der Mittellage 16 verbunden. Dieser Blechverbund weist eine einheitliche Gesamtdicke D2 auf.
In 5 ersichtlich ist eine alternative Ausführungsform der Flächenabschnitte der Mittelsäule 20' aus 3. Hier weist der zweite Flächenabschnitt 3 eine einzige homogene Lage aus einer niedriglegierten Stahllegierung auf. Die Außenlagen 12, 13 des ersten Flächenabschnittes 2 entsprechen hinsichtlich des Werkstoffs der Stahllegierung des zweiten Flächenabschnitts 3. Wie beim Blechverbund gemäß 2 besteht auch hier eine metallurgische Verbindung zwischen der Mittellage 11 und den Außenlagen 12, 13. Die zwei Flächenabschnitte 2, 3 sind bereits vor der Formgebung zum Karosserie- oder Fahrwerkbauteil miteinander verschweißt und sodann gemeinsam umformbar. Der zweite Flächenabschnitt 3 ist im Fahrzeug im so genannten Trockenbereich angeordnet, mithin außerhalb korrosionsgefährdeter Bereiche. Der zweite Flächenabschnitt mit niedriglegierter Stahllegierung wird während der Erwärmung der Blechplatine bevorzugt unterhalb 700°C erwärmt, so dass eine Zunderbildung in diesem Abschnitt nicht einritt.
6a zeigt ein erfindungsgemäßes Karosseriebauteil in Form der Mittelsäule 20'' nach 1 bzw. 3 in modifizierter Ausführungsform. Hier wird die Mittelsäule 20'' gebildet aus einem ersten Flächenabschnitt 2 mit einem dreilagigem Blechverbund 10 in einem oberen Teilbereich 21 der Mittelsäule 20'' sowie aus einem zweiten Flächenabschnitt 3 mit einem dreilagigen Blechverbund 15 in einem zweiten Teilbereich 22 der Mittelsäule. Der zweite Teilbereich 22 der Mittelsäule 20'' verläuft etwa bis knapp unterhalb einer Türschlossanbindung für eine Fahrzeugtür (nicht gezeigt). Zwischen dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt 3 ist ein Übergangsbereich 41 ausgebildet, wobei beide Flächenabschnitte 2, 3 in den einzelnen Lagen jeweils werkstoffeinheitlich einteilig ausgebildet sind oder analog der Ausführungsform gemäß 3 und 4 verschweißt sind. Im letzteren Fall kann der Übergangsbereich 41 der Schweißnaht hinsichtlich deren Lage entsprechen.
Der zweite Flächenabschnitt 3 weist in seiner Mittellage 16, dargestellt in 7 bis 9, eine höhere Duktilität und niedrigere Zugfestigkeit als im ersten Flächenabschnitt 2 auf, was einer verzögerten Rissbildung und damit verbundenen Problemen bei einem Seitenaufprall entgegenwirkt und eine gezielte Deformation, im Falle der Mittelsäule 20'' in einen für den Insassen ungefährlichen Bereich des Fahrzeugsitzes, erlaubt.
Im Unterschied zu 6a zeigt 6b eine Mittelsäule 20''' mit einem zweiten Flächenabschnitt 3, welcher sich neben dem zweiten Teilbereich 22 auch auf einen Teil der Ränder 42 des oberen Teilbereichs der Mittelsäule 20''' erstreckt. Weiterhin weist die Mittelsäule 20''' mehrere Anbindungspunkte 43 zur Befestigung an einem Fahrzeugschweller auf. Unterhalb des zweiten Flächenabschnitts 3 im zweiten Teilbereich 22 erstreckt sich ein weiterer Flächenabschnitt 4, der wiederum eine höhere Festigkeit und weniger Duktilität aufweist im Vergleich zum zweiten Flächenabschnitt 3. Zwischen beiden Flächenabschnitten 2, 3 ist ein weiterer Übergangsbereich 41 ausgebildet.
Im Querschnitt B-B ist der Ausschnitt angedeutet, welcher in den 7 und 9 näher betrachtet wird.
In 7 ersichtlich ist ein Schichtaufbau der alternativen Ausführungsformen gemäß der Mittelsäule 20'' und 20''' aus 6. Der erste Flächenabschnitt 2 weist die Mittellage 11 auf, die von zwei Außenlagen 12 und 13 nach oben und unten begrenzt ist. Der erste Flächenabschnitt 2 weist eine erste Mittellage 11 aus ultrahochfestem Gefüge mit mindestens 80 Prozent Martensit auf, die durch Warmformen und Presshärten einer vergütbaren Stahllegierung eingestellt wurde, wobei die Zugfestigkeit innerhalb des ersten Flächenabschnitts 2 mit dreilagigem Blechverbund größer als 1300 MPa beträgt. Das Karosserie- oder Fahrwerkbauteil 1 in Form der Mittelsäule 20'' bzw. 20''' weist einen zweiten Flächenabschnitt 3 aus einem dreilagigen Blechverbund 15 auf, wobei der zweite Flächenabschnitt 3 eine zweite Mittellage 16 mit einem Gefüge aus angelassenem Martensit mit einem Anteil von mindestens 80 Prozent oder Mischgefüge mit mindestens 70 Prozent Anteilen an Ferrit und Perlit sowie Restanteil Martensit, Restaustenit und/oder Bainit aufweist. Bezüglich des Werkstoffes entsprechen die Flächenabschnitte 2, 3 einander in den einzelnen Lagen, wobei die Außenlagen 12, 13, 17, 18 jeweils aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung bestehen.
Ein Übergangsbereich 41 zwischen der ersten Mittellage 11 und der zweiten Mittellage 16 weist eine Breite B1 auf, die zwischen 10 mm und 150 mm, bevorzugt aber unterhalb 50 mm beträgt, da im Übergangsbereich ein mechanisch schwer zu bestimmender und inhomogener Zustand vorliegt. Selbstverständlich ist dieser Schichtaufbau von der beschriebenen Mittelsäule 20'', 20''' auch auf andere Karosserie- und Fahrwerkbauteile, wie in Anspruch 15 aufgeführt, übertragbar, wo eine gezielt belastungsgerechte Bauteilgestaltung zweckdienlich ist.
In 8 ersichtlich ist ein Schichtaufbau einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Es handelt sich wie zuvor um einen Ausschnitt zur Illustration der relevanten Bauteileigenschaften im Querschnitt.
Ein erster Flächenabschnitt 2 weist die Mittellage 11 auf, die von zwei Außenlagen 12 und 13 nach oben und unten begrenzt ist. Der erste Flächenabschnitt 2 weist eine erste Mittellage 11 aus ultrahochfestem Gefüge mit mindestens 80 Prozent Martensit auf, wobei die Zugfestigkeit innerhalb des ersten Flächenabschnitts 2 mit dreilagigem Blechverbund 10 größer als 1300 MPa beträgt. Das Karosserie- oder Fahrwerkbauteil 1 weist einen zweiten Flächenabschnitt 3 aus werkstofflich demselben dreilagigen Blechverbund 15 auf, wobei der zweite Flächenabschnitt 3 eine zweite Mittellage 16 mit näherungsweise demselben metallischen Mikrogefüge aufweist. Bezüglich des Werkstoffes entsprechen die Flächenabschnitte einander in den einzelnen Lagen, wobei die Außenlagen 12, 13, 17, 18 jeweils aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung bestehen.
Ein Übergangsbereich 44 zwischen dem ersten und dem zweiten Flächenabschnitt 2, 3 weist eine Breite B2 auf, die zwischen 50 Millimetern (mm) und 250 mm, bevorzugt aber unterhalb 200 mm beträgt, da die Kopplung mit weiteren Bauteilen in unebenen Abschnitten erschwert ist. Zu erkennen ist, dass die Gesamtdicke D3 des Blechverbundes 15 im zweiten Flächenabschnitt 3 größer ist als die Gesamtdicke D2 des Blechverbunds 10 im ersten Flächenabschnitt 2, wobei sich die Verhältnisse der Dicke der Lagen zueinander innerhalb eines Blechverbunds nicht ändern.
Selbstverständlich ist es möglich, dass das Karosserie- oder Fahrwerkbauteil 1 weitere Flächenabschnitte umfasst, die sich an den zweiten Flächenabschnitt 3 anschließen und eine weitere Erhöhung der Gesamtdicke und damit eine Stärkung der belastungsgerechten Konstruktion erlauben. Auch sei angemerkt, dass die unterschiedliche Dicke bevorzugt bereits vor dem Pressumformen in die dreidimensionale Bauteilgeometrie vorliegt.
In 9 schließlich stellt eine alternative Ausführungsform und eine Kombination der Ausführungsformen von 7 und 8 dar. Ein erster Flächenabschnitt 2 der Gesamtdicke D2 aus einer Mittellage 11 und zwei Außenlagen 12 und 13 geht über einen Übergangsbereich 44 der Breite B2 in einen zweiten Flächenabschnitt 3 der Gesamtdicke D3 über, wobei der zweite Flächenabschnitt 3 wiederum eine Mittellage 16 und zwei Außenlagen 17 und 18 aufweist, und die Mittellage 16 aus ultrahochfestem Gefüge mit mindestens 80 Prozent Martensit aufweist. Die Mittellage 11 des ersten Flächenabschnitts 2 weist dagegen ein duktileres Mischgefüge auf, aus angelassenem Martensit mit einem Anteil von mindestens 80 Prozent und Mischgefüge mit mindestens 70 Prozent Anteilen an Ferrit und Perlit sowie Restanteil Martensit, Restaustenit und/oder Bainit. Zu erkennen ist auch ein Übergangsbereich 41 der Breite B1, welcher nur über einen Teil der Breite B2 des Übergangsbereichs 44 ausgebildet ist. Der hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften und seiner Gefügezusammensetzung undefinierte Übergangsbereich 41 ist demnach kleiner als der durch seine Dickenunstetigkeit geprägte Übergangsbereich 44. Es ergibt sich ein Karosserie- oder Fahrwerkbauteil 1 mit sehr gutem belastungsgerechten Auslegungspotential im Hinblick auf einen gezielte Deformationsverlauf, Energieaufnahmevermögen und guter Koppelbarkeit durch Schweißen, Kleben, Nieten und/oder Schrauben an die Fahrzeugkarosse oder andere Anbauteile.
In 10 ist ausschnittsweise der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Karosserie- oder Fahrwerkbauteils 1 mit dreilagigem Blechverbund 10 mit einem Rand 42 dargestellt. Der Rand 42 ist in seiner Stirnseite 9 im Flächenabschnitt 2 mit dreilagigem Blechverbund 10 wenigstens abschnittsweise von einer Außenlage 12 umgriffen, derart, dass die Stirnseite 9 der Mittellage 11 des Randes 42 von der Umgebung durch die Außenlage 12 sowie die Außenlage 13 abgeschirmt ist. Die Außenlagen 12, 13 begrenzen wie in der vorangegangen Ausführungsformen die Mittellage 11 auf in der Bildebene oben befindlichen Oberseite 7 und auf der in der Bildmitte unten befindlichen Unterseite 8. Dies kann beispielsweise derart bewerkstelligt werden, dass beim Beschnitt des Blechverbunds vor oder nach dem Pressformen eine Trennung mit kombiniertem oder nachfolgendem Walzen der Außenlage 12 des Randes 42 in Richtung der anderen Außenlage 13 erfolgt unter Materialverdrängung von der Oberseite 7 über die Stirnseite 9 des Randes 42.
11 zeigt eine Presse 50 zur Durchführung des verfahrenstechnischen Teils der Erfindung zur Herstellung von Karosserie- oder Fahrwerkbauteilen 1. Zunächst werden ein oder mehrere Blechplatinen 5 bereitgestellt, welche wenigstens einen Flächenabschnitt aus einem dreilagigen Blechverbund mit einer Mittellage aus einer vergütbaren Stahllegierung und zwei die Mittellage nach außen begrenzenden Außenlagen umfassen. Anschließend erfolgt das Erwärmen des Blechverbunds wenigstens abschnittsweise auf Austenitisierungstemperatur in der Presse 50 mittels Kontakterwärmung 51 durch wenigstens eine beheizbare Kontaktplatte 56. Die Kontaktplatte 56 berührt während der Erwärmung die Außenlagen des Blechverbundes der Blechplatine, wobei wenigstens ein Flächenabschnitt der Blechplatine in kürzester Zeit auf Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Hierbei handelt es sich um die Rekristallisationstemperatur der Mittellage des Blechverbunds mit vergütbarer Stahllegierung, um die spätere Härtung zu ermöglichen. Anschließend erfolgt ein Transfer der heißen Blechplatine in ein wenigstens bereichsweise gekühltes Pressformwerkzeug 52 und das Warmumformen der Blechplatine 5 wird darin durchgeführt. Dabei wird die Blechplatine 5 auch bereits etwas abgekühlt. Wenn eine zuvor homogen austenitisierte Blechplatine 5 in einem bereichsweise beheizten Pressformwerkzeug 52 umgeformt wird, lässt sich in einem Flächenabschnitt eine verringerte Abkühlgeschwindigkeit bewirken, so dass die kritische Abkühlrate zur Martensitumwandlung des Gefüges in diesem Flächenabschnitt ausgeschlossen ist.
Anschließend erfolgt ein Transfer der pressgeformten Blechplatine in eine nachfolgende Kühlwerkzeugstufe 53, wo die geformte Blechplatine wenigstens teilweise gehärtet wird. Nach einem weiteren Transfer in eine dritte Werkzeugstufe 54 findet die abschließende Abkühlung auf näherungsweise Umgebungstemperatur, zumindest aber eine vollständige Härtung wenigstens eines Flächenabschnittes statt.
Anstelle dreier gekühlter Werkzeugstufen 52, 53, 54 wie in 11a) kann auch vorgesehen werden, auf die letzte Kühlwerkzeugstufe 54 zu verzichten und bereits in der ersten Kühlwerkzeugstufe 53 die Härtung eines Flächenabschnitts abzuschließen. Dies ist jedoch bei größeren Gesamtdicken der Blechplatine 5 oder bei besonders hoher Taktzeit der Presse 50 nur begrenzt möglich. Dies ist anhand der Presse 50' in 11b) dargestellt.
Mittels dem Pressformwerkzeug 52 oder der ersten Kühlwerkzeugstufe 53 können auch ein Beschnitt und die Lochung des geformten aber noch ungehärteten Bauteils (nicht dargestellt) erfolgen.
Entscheidender Vorteil bei erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass durch die Außenlagen aus ferritisch nichtrostenden Stahllegierung eine Verzunderung oder Oxidation während der Erwärmung und beim Warmumformen ausgeschlossen und so eine aufwändige Beschichtung, Endreinigung der Oberfläche, Oberflächenfehler sowie eine Schutzgasumhausung der Presse bzw. Kontakterwärmung vermieden wird.
12 zeigt eine Presse 50'' zur Durchführung des verfahrenstechnischen Teils der Erfindung zur Herstellung von Karosserie- oder Fahrwerkbauteilen 1. Zunächst werden ein oder mehrere Blechplatinen 5 bereitgestellt, welche wenigstens einen Flächenabschnitt aus einem dreilagigen Blechverbund mit einer Mittellage aus einer vergütbaren Stahllegierung und zwei die Mittellage begrenzenden Außenlagen umfassen. Anschließend erfolgt das Erwärmen des Blechverbunds abschnittsweise auf Austenitisierungstemperatur in der Presse 50'' mittels Kontakterwärmung 51 zwischen wenigstens einer beheizbaren Kontaktplatte 56. Die zwei hier gezeigten Kontaktplatten 56 berührt während der Erwärmung die Außenlagen des Blechverbundes der Blechplatine (nicht dargestellt), wobei ein oder alle Flächenabschnitte der Blechplatine in kürzester Zeit erwärmt werden. Anschließend erfolgt ein Transfer der so erwärmten Blechplatine in eine Temperierstufe 55, so dass entweder die homogen erwärmte Blechplatine von einer Austenitisierungstemperatur in einem Flächenabschnitt heruntergekühlt wird auf weniger als 700°C, oder ein Flächenabschnitt wird von weniger als 700°C auf mindestens Austenitisierungstemperatur erwärmt. Die Temperierstufe kann wiederum Kontaktplatten zur Erwärmung und/oder Kühlung aufweisen, welche durch Brenner, Induktoren oder Widerstandserwärmung auf die erforderliche Temperatur eingestellt werden. Die so abschnittsweise unterschiedlich temperierte Blechplatine wird in ein gekühltes Pressformwerkzeug 52 eingebracht und ein Warmumformen der Blechplatine wird darin durchgeführt. Dabei wird die Blechplatine 5 auch bereits etwas abgekühlt. Anschließend erfolgt ein Transfer der pressgeformten Blechplatine in eine nachfolgende Kühlwerkzeugstufe 53, wo die geformte Blechplatine wenigstens teilweise gehärtet wird, während ein zweiter Flächenabschnitt dabei nicht gehärtet wird. Mittels des Pressformwerkzeugs 52 können auch ein Beschnitt und die Lochung des geformten aber noch ungehärteten Bauteils (nicht dargestellt) erfolgen.
13a) zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Form eines im Querschnitt runden Karosserie- oder Fahrwerkbauteils 1 aus einer Blechplatine 5 oder einem Blechband in einer Draufsicht. Hierbei handelt es sich um eine A-Säule 25 mit einem gekrümmten in der Bildebene unteren Teilbereich 22 und einem geraden im Querschnitt breiteren oberen Teilbereich 21. In den 13b) bis 13d) sind verschiedene Querschnittsgeometrien zu erkennen, die für die A-Säule der 13a) Anwendung finden kann. Jeweils eine Schweißnaht 23 schließt das als Hohlprofil ausgebildete Bauteil 1 in einem Rand 42, 42‘, der in axialer Richtung des Bauteils 1 verläuft.
In 13b) weist das Bauteil 1 zwei Ränder 42‘ auf, die sich parallel gegenüberliegend kontaktieren und durch die Schweißnaht 23 stoffschlüssig gekoppelt sind. Der Rand stellt dabei einen zweiwandigen Flansch dar.
In 13c) zu erkennen ist, dass ein Rand 42 mit seiner Stirnseite 9 gegen eine Seitenfläche eines zweiten Randes 42‘ kontaktierend ausgebildet und mit einer Schweißnaht 23 stoffschlüssig gefügt ist. Der Rand 42‘ stellt dabei einen einwandigen Flansch dar.
Wie in 13d) zu erkennen ist, stoßen zwei Ränder 42 mit ihren jeweiligen Stirnseiten 9 gegeneinander, so dass sich eine flanschloses Bauteil ergibt. Die Umformung erfolgt dabei durch Rollformen oder U-O-Formen und anschließendes Innenhochdruckformen und Abschreckhärten. Die Querschnittkonfiguration gemäß 13d) ist auch für viele Fahrwerkbauteile wie Verbundlenkerachsen, Querlenker übertragbar.
Bezugszeichenliste

1: Karosserie- oder Fahrwerkbauteil
2: erster Flächenabschnitt
3: zweiter Flächenabschnitt
4: Flächenabschnitt
5: Blechplatine
7: Oberseite zu 11
8: Unterseite zu 11
9: Stirnseite zu 11
10: Blechverbund
11: Mittellage zu 10
12: Außenlage zu 10
13: Außenlage zu 10
15: Blechverbund
16: Mittellage zu 15
17: Außenlage zu 15
18: Außenlage zu 15
20: Mittelsäule
20': Mittelsäule
20'': Mittelsäule
20''': Mittelsäule
21: oberer Teilbereich
22: unterer Teilbereich
23: Schweißnaht
25: A-Säule
30: Querlenker
40: Schweißnaht
41: Übergangsbereich
42: Rand
42': Rand
43: Anbindungspunkt
44: Übergangsbereich
50: Presse
50': Presse
50'': Presse
50''': Presse
51: Kontakterwärmung
52: Pressumformwerkzeug
53: Kühlwerkzeugstufe
54: Kühlwerkzeugstufe
55: Temperierstufe
56: Kontaktplatte
D2: Gesamtdicke zu 10
D3: Gesamtdicke zu 15
Da: Dicke der Außenlage
Dm: Dicke der Mittellage
Dm2: Dicke zu 11
Dm3: Dicke zu 16
B1: Breite zu 41
B2: Breite zu 44

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008022709 A1 [0003]

Claims

Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens einen Flächenabschnitt (2, 3) aus einem dreilagigen Blechverbund (10) mit einer Mittellage (11) und zwei die Mittellage (11) nach außen begrenzenden Außenlagen (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlagen (12, 13) aus einer ferritisch nichtrostenden Stahllegierung und die Mittellage (11) aus einer vergütbaren Stahllegierung bestehen.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellage (11) eines Flächenabschnittes (2, 3) ein Gefüge aufweist, mit mindestens 80 Prozent Martensit, und die Zugfestigkeit Rm innerhalb des Flächenabschnitts (2) größer als 1300 MPa beträgt.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellage (11, 16) eines Flächenabschnitts (2, 3) ein Gefüge aufweist aus angelassenem Martensit mit einem Anteil von mindestens 80 Prozent oder einem Mischgefüge mit mindestens 70 Prozent Anteilen an Ferrit und Perlit sowie Restanteil Martensit, Restaustenit und/oder Bainit.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenabschnitt (2, 3) mit dem dreilagigen Blechverbund (10) eine Gesamtdicke (D2, D3) aufweist, und die Außenlage (12, 13, 17, 18) eine Dicke (Da) von mindestens 3 Prozent (%) und höchstens 15 Prozent (%) der Gesamtdicke (D2, D3), bevorzugt 4 Prozent (%) bis 10 Prozent (%) dieses Flächenabschnitts (2, 3) aufweist.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) im Flächenabschnitt (2, 3) mit dreilagigem Blechverbund (10, 15) eine Korrosionsgeschwindigkeit in Dickenrichtung des Blechverbunds (2, 3) bei normaler Atmosphäre von höchstens 10 Mikrometer/Jahr aufweist oder bei Meeresatmosphäre von höchstens 50 Mikrometer/Jahr aufweist.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen zweiten Flächenabschnitt (3) aus einem dreilagigen Blechverbund (15) aufweist.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Flächenabschnitt (3) eine zweite Mittellage (16) mit einem Gefüge aufweist, ausgewählt aus einer Gruppe von Mischgefüge mit mindestens 80 Prozent Anteilen von Ferrit und Perlit oder Mischgefüge mit mindestens 70 Prozent Anteilen an Ferrit und Perlit sowie Restanteil Martensit, Restaustenit und/oder Bainit.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mittellage (11) und die zweite Mittellage (16) jeweils eine Dicke aufweisen, und die Dicke (Dm2) der ersten Mittellage (11) sich von der Dicke (Dm3) der zweiten Mittellage (16) unterscheidet.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenabschnitte (2, 3) miteinander stumpf aneinander grenzend verschweißt sind.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach bevorzugt einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen zweiten Flächenabschnitt (3) aus einer niedriglegierten Stahllegierung aufweist und die Flächenabschnitte (2, 3) miteinander stumpf aneinander grenzend verschweißt sind.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechverbund (10) im ersten Flächenabschnitt (2) eine Gesamtdicke (D2) und der Blechverbund (15) im zweiten Flächenabschnitt (3) eine Gesamtdicke (D3) aufweisen, wobei sich die Gesamtdicken (D2, D3) voneinander um wenigstens 10 Prozent, insbesondere zwischen 20 und 50 Prozent unterscheiden.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen Rand (42) aufweist, und der Rand (42) in einer Stirnseite (9) im Flächenabschnitt (2, 3) mit dreilagigem Blechverbund wenigstens abschnittsweise von einer Außenlage (11, 12, 17, 18) umgriffen ist, derart, dass die Stirnseite (9) der Mittellage (11, 16) von der Umgebung durch die Außenlage (11, 12, 17, 18) abgeschirmt ist.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Türsäule, insbesondere eine Mittelsäule (20) oder ein Dachrahmen, Schweller, Stoßfängerquerträger, Längsträger, Bodenquerträger, Querlenker (30), Längslenker, Stabilisator, Verbundlenker des Kraftfahrzeugs ist.
Karosserie- oder Fahrwerkbauteil (1) nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine Türsäule (20, 20', 20'', 20''') oder ein Dachrahmen mit einem Rand (42) ist, wobei der zweite Flächenabschnitt (3) wenigstens abschnittsweise im Rand (42) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Karosserie- oder Fahrwerkbauteils (1), gekennzeichnet, durch • Bereitstellen einer Blechplatine (5), umfassend wenigstens einen Flächenabschnitt (2) aus einem dreilagigen Blechverbund (10) mit einer Mittellage (11) aus einer vergütbaren Stahllegierung und je einer die Mittellage (11) begrenzenden Außenlage (12, 13), • Erwärmen des Blechverbunds (10) wenigstens Abschnittsweise auf Austenitisierungstemperatur, • Warmumformen der Blechplatine (5) in einem wenigstens bereichsweise gekühlten Pressformwerkzeug (52) und • wenigstens teilweises Härten der geformten Blechplatine (5) im Pressformwerkzeug (52) oder in einer nachfolgenden Kühlwerkzeugstufe (53, 54).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformen und Härten der Blechplatine (5) in einer einzigen Presse (50, 50', 50'', 50''') mit mehreren Werkzeugstufen (52, 53, 54) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen und Warmumformen und optional Härten der Blechplatine (5) in einer einzigen Presse (50, 50', 50'', 50''') mit mehreren Werkzeugstufen (51, 52, 53, 54, 55) durchgeführt wird.