DE102015014489A1

DE102015014489A1 - Werkstück aus teilgehärtetem Stahlblech

Info

Publication number: DE102015014489A1
Application number: DE102015014489.8A
Authority: DE
Inventors: Hartmut BAUMGART; Ronald Sanders
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2017-05-11
Also published as: CN106906467A; US20170129212A1

Abstract

Ein Werkstück (1) aus einem Stahlblech hat eine Oberfläche, die lokal durch Einlegieren eines Zusatzes gehärtete Bereiche (4) und ungehärtete Bereiche (5, 6) umfasst. Wenigstens ein gehärteter Bereich (4) erstreckt sich zwischen einer Rissausgangszone (2, 7, 3) und einem ungehärteten Bereich (6).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück aus einem Stahlblech, dessen Oberfläche lokal durch Einlegieren eines Zusatzes gehärtete Bereiche und ungehärtete Bereiche umfasst.
DE 196 50 258 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Verschleißfestigkeit der Oberfläche eines Stahlblechs lokal erhöht wird, indem durch Zuführen eines Zusatzes in Form eines Stabs oder Drahts zu dem Stahlblech und Einlegieren des Zusatzes durch lokales Erhitzen des Blechs mit Hilfe eines Lasers gehärtete Bereiche in einem Stahlblech erzeugt werden.
Die Verteilung der gehärteten Bereiche auf der Oberfläche des Stahlblechs ist in DE 196 50 258 A1 nicht beschrieben, da die Bereiche der Oberfläche, an denen eine solche Beschichtung erforderlich ist, in jedem Einzelfall durch die Verteilung der Reibbeanspruchung vorgegeben ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Werkstück aus Stahlblech zu schaffen, bei dem die Kraftbelastbarkeit, insbesondere die Zugbelastbarkeit, durch lokales Härten verbessert ist. Derartige Werkstücke können insbesondere im Kraftfahrzeug-Karosseriebau vorteilhaft eingesetzt werden, um die Belastbarkeit einer Karosserie zu verbessern oder um bei unveränderter Belastbarkeit das Gewicht einer Fahrzeugkarosserie zu reduzieren und so Materialaufwand und Kraftstoffverbrauch zu senken.
Blechwerkstücke, die in einem Endprodukt wie etwa einer Kraftfahrzeugkarosserie verbaut sind, sind dort einem für ihre Einbaulage charakteristischen Beanspruchungsmuster ausgesetzt. Wenn die Kräfte, denen ein Blechwerkstück ausgesetzt ist, dessen Belastungsgrenze überschreiten, beginnt das Werkstück an einer besonders hoch beanspruchten Stelle, meist seines Randes, zu reißen. Sobald die Rissbildung einmal eingesetzt hat, konzentriert sich die Belastung an der Spitze des Risses, und der Riss dehnt sich schnell aus, bis er einen gegenüberliegenden Rand des Werkstücks erreicht.
Die Aufgabe wird deshalb einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst, indem bei einem Werkstück aus einem Stahlblech, dessen Oberfläche lokal durch Einlegieren eines Zusatzes gehärtete Bereiche und ungehärtete Bereiche umfasst, wenigstens ein gehärteter Bereich sich zwischen einer Rissausgangszone und einem ungehärteten Bereich erstreckt. Indem der gehärtete Bereich einen relativ hohen Anteil der Zugbelastung aufnimmt, entlastet er die Rissausgangszone und wirkt so der Rissbildung entgegen.
In der Praxis kann die Rissausgangszone z. B. eine Kerbe in einem Rand des Werkstücks sein. Um die Kerbe zu entlasten, sollte sich der gehärtete Bereich sich entlang des Randes und um die Kerbe erstrecken.
Wenn die Rissausgangszone nicht am Rand des Werkstücks liegt, dann ist sie häufig ein Loch oder eine Konkavität, z. B. eine Konkavität, die das aufgeweitete Ende eines Stanzniets aufnimmt, durch den das erste Werkstück an einem zweiten Werkstück vernietet ist. In einem solchen Fall kann der gehärtete Bereich sich zweckmäßigerweise um die Rissausgangszone herum erstrecken.
Vorzugsweise bildet der gehärtete Bereich einen geschlossenen Ring um die Rissausgangszone herum.
Allgemein kann die Rissausgangszone ein Befestigungspunkt des zweiten Werkstücks am ersten Werkstück sein, denn unabhängig von der Art der Befestigung können Kräfte, die an dem Befestigungspunkt vom zweiten auf das erste Werkstück übertragen werden, am ersten Werkstück zu Überbeanspruchung und folglich zu von dem Befestigungspunkt ausgehender Rissbildung führen.
Einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zufolge schneidet ein der Rissausgangszone zugewandter Rand des gehärteten Bereichs eine Linie, die von der Rissausgangszone zu einem von der Rissausgangszone entfernten Rand des Werkstücks verläuft, unter einem schrägen Winkel. Dieses Merkmal schafft die Möglichkeit, wenn bereits Rissbildung eingesetzt hat, ein vollständiges Versagen des Werkstücks eventuell noch zu verhindern, zumindest aber die Energie, die das Werkstück bis zu einem vollständigen Versagen aufnimmt, deutlich zu erhöhen, indem nämlich der im Entstehen befindliche Riss, wenn er auf den Rand des gehärteten Bereichs trifft, seitwärts abgelenkt wird. So wird zumindest die Länge, die der Riss bis zum endgültigen Versagen erreichen kann vergrößert, und in der Folge auch die Energie erhöht, die bis zum Versagen des Werkstücks für die Rissbildung aufgewandt werden muss.
Damit der Rand des gehärteten Bereichs einen sich ausdehnenden Riss ablenken kann, darf er nicht parallel zu der Verbindungslinie zwischen Rissausgangszone und Rand des Werkstücks sein, sollte aber auch nicht auf dieser Linie senkrecht stehen. Gut geeignet ist ein Winkel zwischen Rand und Linie von 30° bis 60°, vorzugsweise von 40° bis 50°.
Vorzugsweise begrenzen der der Rissausgangszone zugewandte Rand und ein von der Rissausgangszone abgewandter Rand desselben oder eines zweiten gehärteten Bereichs einen streifenförmigen nicht gehärteten Bereich, in dem sich der Riss ausbreiten kann.
Zweckmäßig ist ferner, wenn mehrere streifenförmige nicht gehärtete Bereiche die Linie kreuzen. So kann ein Riss auch dann, wenn es ihm gelingt, einen der nicht gehärteten Bereiche zu verlassen und in einen gehärteten Bereich einzudringen, mit hoher Wahrscheinlichkeit von einem dahinterliegenden nicht gehärteten Bereich aufgefangen und wieder seitwärts abgelenkt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen
1 eine Draufsicht auf ein Werkstück gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf ein Werkstück gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
3 ein Schnitt durch zwei Werkstücke gemäß einer dritten Ausgestaltung;
4 zwei Werkstücke gemäß einer vierten Ausgestaltung in perspektivischer Darstellung; und
5 eine Draufsicht auf ein Werkstück gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung.
Die Erfindung ist auf Werkstücke beliebiger Gestalt anwendbar; die Werkstücke können eben oder dreidimensional geformt sein, und sie können beliebige Verläufe ihrer Ränder aufweisen. Die in den nachfolgend beschriebenen Figuren als Werkstück gezeigten rechteckigen Blechstreifen sind daher als Beispiel anzusehen, deren besondere Merkmale, wie etwa im Falle des Werkstücks 1 in 1 eine Kerbe 2 in einem langgestreckten Rand 3, genauso in beliebig anders geformten Werkstücken auftreten können.
In einem herkömmlichen Blech mit homogenen Materialeigenschaften würde an der Kerbe 2, wenn das Blech einer hohen Zugbelastung ausgesetzt ist, Rissbildung einsetzen, und ausgehend von der Kerbe 2 würde ein solcher Riss sich schließlich bis zu einem gegenüberliegenden Rand des Blechs ausdehnen, und das Blech würde in zwei Stücke zerreißen.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück 1 ist entlang des Randes 3 ein gehärteter Bereich 4 durch Einlegieren eines härtenden Zusatzes gebildet. Das Einlegieren kann durch Laserlegieren, wie in dem eingangs zitierten Dokument DE 196 50 258 A1 beschrieben, oder mit dem in DE 10 2014 010 660.8 offenbarten Verfahren erfolgen und braucht deshalb hier nicht weiter erläutert zu werden. Als härtende Zusätze können z. B. Kohlenstoff, Stickstoff, Mangan, Silizium, Nickel oder Chrom einlegiert sein. Der gehärtete Bereich 4 erstreckt sich beiderseits der Kerbe 3 entlang des Randes 3 und in einem flachen Bogen um die Kerbe herum. Zugspannung, die an den Enden des Werkstücks 1 einwirkt, wird durch den gehärteten Bereich 4 um die Kerbe 3 und deren ungehärtete unmittelbare Umgebung 5 herumgeleitet. Die Zugbelastung, ab der Rissbildung an der Kerbe 3 einsetzt, kann so, je nach Abmessungen der Kerbe 3 und des gehärteten Bereichs 4, deutlich heraufgesetzt werden, oder wird eventuell gar nicht mehr erreicht, weil das Material vorher in dem nicht gehärteten Bereich 6 vor oder hinter der Kerbe 3 reißt.
Eine entsprechende Wirkung wird am Werkstück 1 der 2 erreicht, 5 indem ein gehärteter Bereich 4 ringförmig rings um ein Loch 7 ausgebildet ist. Die Schwächung des Werkstücks 1 durch das Loch 7 kann durch gehärteten Bereich 4 ausgeglichen oder sogar überkompensiert werden, so dass das Werkstück bei Überbelastung nicht am Loch 7 sondern in dem nicht gehärteten Bereich 6 reißt, der den ringförmigen gehärteten Bereich 4 umgibt.
3 zeigt einen Schnitt durch zwei Werkstücke 1, 1', die beide mit einem ringförmigen gehärteten Bereich 4, 4', wie in 3 gezeigt, versehen, in ihren von dem gehärteten Bereich 4, 4' umgebenen nicht gehärteten Bereich 5, 5' allerdings nicht gelocht sind. Der Bereich 5 des oberen Werkstücks 1 ist vorgesehen, um von einem darüber im Schnitt dargestellten Halbhohlstanzniet 8 aus dem Werkstück 1 ausgestanzt, vor sich her geschoben und in den nicht gehärteten Bereich 5' des Werkstücks 5' hineingepresst zu werden. Während des Eindringens weitet sich der Schaft des Halbhohlstanzniets 8 auf, idealerweise so weit, dass er innerhalb des Werkstücks 1' hinter dessen gehärteten Bereich 4' eingreift; die Festigkeit der dadurch geschaffenen formschlüssigen Verbindung profitiert von der Festigkeit der umgebenden gehärteten Bereiche 4, 4'.
Eine Konkavität 9, die im Werkstück 1' durch das Eindringen des Niets 8 gebildet wird, würde in einem homogenen Blech unter Zugbelastung Ausgangspunkt für Rissbildung sein. In gleicher Weise wie in der Ausgestaltung der 2 wirkt hier jedoch der gehärtete Bereich 4' als eine Zugentlastung, die Spannung um die Konkavität 9 herumleitet und der Rissbildung vorbeugt.
4 zeigt in perspektivischer Ansicht zwei Werkstücke 1, 1', hier ebene Bleche, die entlang ihrer Ränder 3, 3' durch Schweißpunkte 10 verbunden sind. Entlang seines Randes 3 ist das Werkstück 1 mit einem gehärteten Bereich 4 versehen, in dem Bereiche 5 ausgespart sind. In diese ungehärteten Bereiche 5 sind jeweils die Schweißpunkte 10 gesetzt, um deren im Vergleich zum gehärteten Bereich 4 besseren Schweißeigenschaften zu nutzen. Die Biegebelastbarkeit der Schweißverbindung profitiert davon, dass durch den gehärteten Bereich die Nachgiebigkeit des Werkstücks 1 unter einem an den Schweißpunkten 10 einwirkenden Biegemoment verringert ist.
5 zeigt wiederum ein streifenförmiges Werkstück 1 in Draufsicht. Mehrere streifenförmige gehärtete Bereiche 4 verlaufen schräg, hier unter einem Winkel · von ca. 45°, zum Rand 3 über das Werkstück 1. Unter einer hohen Zugbeanspruchung können sich in den nicht gehärteten Bereichen 5, 6 so wie auch in einem herkömmlichen Werkstück mit homogenen Materialeigenschaften Risse bilden, die sich vom Rand 3 aus in das Werkstück 1 hinein ausbreiten. Trifft ein solcher Riss 11 jedoch auf den Rand eines gehärteten Bereichs 4, dann erfordert ein weiteres Wachstum des Risses in diesen Bereich 4 hinein mehr Energie, als wenn der Riss 11 weiter innerhalb des ungehärteten Bereichs 5 wächst. Der Riss 11 neigen daher dazu, dem Verlauf der ungehärteten Bereiche 5 zu folgen. Dadurch wird der Riss 11 länger und verbraucht bis zum vollständigen Durchreißen des Werkstücks 1 mehr Energie als bei einem isotropen Blech gleicher Form, wo sie er dem jeweils deinem Ausgangsrand 3 gegenüberliegenden Rand 12 auf dem kürzesten Weg, entlang einer Linie 13 zustreben würde.
Im Falle der 5 sind die gehärteten und ungehärteten Bereiche 4, 5 so eng gestaffelt, dass jeweils mehrere von ihnen eine kürzeste Linie 13 zwischen den zwei Rändern 3, 12 kreuzen. So besteht die Möglichkeit, den Riss 12 selbst dann, wenn er einen gehärteten Bereich 4 durchlaufen sollte, in einem daruffolgenden ungehärteten Bereich 5 wieder abzufangen und schräg zur Linie 13 abzulenken.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: Kerbe
3: Rand
4: gehärteter Bereich
5: nicht gehärteter Bereich
6: nicht gehärteter Bereich
7: Loch
8: Niet
9: Konkavität
10: Schweißpunkt
11: Riss
12: Rand
13: Linie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19650258 A1 [0002, 0003, 0023]
DE 102014010660 [0023]

Claims

Werkstück (1) aus einem Stahlblech, dessen Oberfläche lokal durch Einlegieren eines Zusatzes gehärtete Bereiche (4) und ungehärtete Bereiche (5, 6) umfasst und bei dem wenigstens ein gehärteter Bereich (4) sich zwischen einer Rissausgangszone (2, 7, 3) und einem ungehärteten Bereich (6) erstreckt.
Werkstück nach Anspruch 1, bei dem die Rissausgangszone eine Kerbe (2) in einem Rand (3) des Werkstücks (1) ist und der gehärtete Bereich (4) sich entlang des Randes (3) und um die Kerbe (2) erstreckt.
Werkstück nach Anspruch 1, bei dem die Rissausgangszone ein Loch (7) oder eine Konkavität (9) ist und der gehärtete Bereich (4, 4') sich um die Rissausgangszone herum erstreckt.
Werkstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der der gehärtete Bereich (4, 4') einen geschlossenen Ring um die Rissausgangszone (7, 9) herum bildet.
Anordnung mit einem ersten Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem zweiten Werkstück (1'), bei dem die Rissausgangszone (10) ein Befestigungspunkt des zweiten Werkstücks am ersten Werkstück ist.
Anordnung nach Anspruch 5, bei der Befestigungspunkt ein Niet (8), ein Schweißpunkt (10) oder eine Schraubverbindung ist.
Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein der Rissausgangszone (3) zugewandter Rand des gehärteten Bereichs (4) eine Linie (13), die von der Rissausgangszone (3) zu einem von der Rissausgangszone (3) entfernten Rand (12) des Werkstücks (1) verläuft, unter einem schrägen Winkel schneidet.
Werkstück nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der schräge Winkel zwischen 30° und 60° beträgt.
Werkstück nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere streifenförmige nicht gehärtete Bereiche (4, 5) die Linie (13) kreuzen.