DE102015111680A1 - Gasgenerator - Google Patents

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DE102015111680A1
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Jozef Balun
Olivier Depierreux
Thomas Vietoris
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Benteler Steel Tube GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasgenerator, umfassend ein Rohrelement (10) mit hoher Kaltzähigkeit. Der Gasgenerator (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) ein duktiles Bruchverhalten bei einer Temperatur bis mindestens –196°C aufweist, das Rohrelement (10) eine Mindestzugfestigkeit von 650MPa aufweist, das Rohrelement (10) ein kubisch-flächenzentriertes austenitisches Gefüge mit mindestens 90 Flächenprozent aufweist und das Rohrelement (10) aus einer Stahllegierung besteht, die einen Mangangehalt von mindestens 14,0 Gew.-% aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasgenerator, der zumindest ein Rohrelement umfasst.
  • Gasgeneratoren werden heute aus Kohlenstoffstählen hergestellt und besitzen eine mehr oder weniger gute Kaltzähigkeit. Kohlenstoffstähle verändern ihr Bruchverhalten bei tiefen Temperaturen von einem Duktilbruch hin zu einem Sprödbruch. Die Temperatur bei dem ein 50 prozentiger Sprödbruch auftritt wird als Übergangstemperatur bezeichnet.
  • Nachteile der bekannten Gasgeneratoren bestehen somit in dem spröden Versagen bei tiefen Temperaturen und in dem Kompromiss zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Umformbarkeit, der bei den bekannten Gasgeneratoren eingegangen werden muss.
  • Zudem ist aus der US 2005/0076975 A1 beispielsweise ein Stahlrohr aus einer Stahllegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bekannt, das eine ultrahohe Festigkeit und hervorragende Zähigkeit bei geringen Temperaturen aufweist. Auch in der DE 101 43 073 A1 wird eine Stahlzusammensetzung beschrieben, die zur Herstellung eines Stahlrohres für eine Aufblasvorrichtung zum Speichern von Gas für eine Fahrzeuginsassenschutzeinrichtung verwendet wird. Das Stahlrohr weist eine hohe Zähigkeit bei tiefen Temperaturen auf. Ein Nachteil dieser bekannten Stahllegierungen besteht darin, dass aufgrund der großen Anzahl an unterschiedlichen Legierungselementen die zuverlässige Herstellung der Stahllegierung und damit Einstellung der gewünschten Eigenschaften schwierig ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Gasgenerator zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik zumindest verringert.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann durch einen Gasgenerator, der zumindest ein Rohrelement aufweist, wobei das Rohrelement aus einem Werkstoff besteht, der eine austenitische Gefügestruktur aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Gasgenerator umfassend ein Rohrelement mit hoher Kaltzähigkeit. Der Gasgenerator ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement ein duktiles Bruchverhalten bei einer Temperatur bis mindestens –196° aufweist, eine Mindestzugfestigkeit von 650 MPa, insbesondere 700 MPa aufweist, das Rohrelement ein kubisch-flächenzentriertes austenitisches Gefüge mit mindestens 90 Flächenprozent aufweist und das Rohrelement aus einer Stahllegierung besteht, die einen Mangangehalt von mindestens 14,0 Gew.-% aufweist.
  • Als Gasgenerator wird erfindungsgemäß ein Bauteil verstanden, in dem Gas gespeichert oder erzeugt wird und aus dem Gas mit hoher Geschwindigkeit ausgegeben werden kann. Der erfindungsgemäße Gasgenerator stellt vorzugsweise einen Kaltgasgenerator dar. Ein Kaltgasgenerator besteht aus einem Gasspeicher, in dem Gas unter Hochdruck gespeichert ist, und einem Aktivator. Der Gasspeicher ist durch eine Membran verschlossen. Beim Auslösen des Gasgenerators wird die Membran, insbesondere durch einen Sprengsatz zerstört und das Gas kann aus dem Gasspeicher herausströmen. Alternativ kann der erfindungsgemäße Gasgenerator auch einen Hybridgasgenerator darstellen. Dieser stellt eine Kombination eines pyrotechnischen Generators und einem Kaltgasgenerators dar. Bei einem Hybridgasgenerator ist außer dem Druckspeicher für das Gas zusätzlich eine pyrotechnische Baugruppe zur Gaserzeugung vorgesehen. Da das Rohrelement bei solchen Gasgeneratoren als Kaltgasbehälter dient, sind die Anforderungen an die Kaltzähigkeit besonders hoch.
  • Der Gasgenerator umfasst erfindungsgemäß ein Rohrelement mit hoher Kaltzähigkeit. Das Rohrelement kann hierbei als Gasdruckbehälter und/oder Reaktionskammer des Gasgenerators dienen. Insbesondere kann das Rohrelement auch als Inflator bezeichnet werden. Das Rohrelement weist eine hohe Kaltzähigkeit auf. Dies bedeutet, dass der Werkstoff des Rohrelementes einen Mindestwert der Kerbschlagarbeit von 27 Joule (J) an EN ISO 148 Spitzkerbproben bei einer Temperatur von –60 °C oder noch tieferen Temperaturen besitzt.
  • Der Gasgenerator ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement ein duktiles Bruchverhalten bei einer Temperatur bis mindestens –196° aufweist. Dies bedeutet, dass auch bei einer Temperatur bis zu –196°C kein Sprödbruch oder zumindest weniger als 50 Prozent (%) Sprödbruch in Kerbschlagbiegeprobe vorliegen.
  • Zudem weist das Rohrelement eine Mindestzugfestigkeit von 650 Megapascal (MPa), insbesondere 700 MPa auf.
  • Das Rohrelement weist erfindungsgemäß ein kubisch-flächenzentriertes austenitisches Gefüge mit mindestens 90 Flächenprozent auf. Dies bedeutet, dass mindestens 90 Flächenprozent als austenitisches Gefüge vorliegen.
  • Das Rohrelement besteht erfindungsgemäß aus einer Stahllegierung, die einen Mangangehalt von mindestens 14,0 Gew.-% aufweist.
  • Entgegen der Vorbehalte aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der US 2005/0076975 A1 , dass ein zu hoher Mangangehalt zu einer Verringerung der Zähigkeit eines Werkstoffes führt, und zu anfällig für Wasserstoffversprödung und Belastungskorrosionssprünge ist, um beispielsweise in einem Airbag verwendet zu werden, hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass sich bei Mangangehalten von mehr als 14% Gew.% zuverlässig ein austenitisches Gefüge mit einer kubisch-flächenzentrierten Gefügestruktur einstellt, das die Eigenschaften, die beispielsweise für einen Airbag erforderlich sind, hervorragend liefert.
  • Erfindungsgemäß besteht somit zumindest das Rohrelement des Gasgenerators aus austenitischem Stahl. Die zumindest für das Rohrelement verwendete Stahllegierung stellt erfindungsgemäß einen FeMn Stahl mit einem Mangangehalt von mehr als 14% Gew%, vorzugsweise mehr als 17 Gew%, und beispielsweise mehr als 20 Gew% dar. Die verwendete Stahllegierung kann daher auch als Hochmanganstahl bezeichnet werden. Der erfindungsgemäß verwendete Hochmanganstahl weist auch TWIP(Twinning Induced Plasticity)-Eigenschaften auf. Dies bedeutet, dass bei plastischer Verformung wegen einer relativ geringen Stapelfehlerenergie eine intensive Zwillingsbildung stattfindet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Gasgenerator kann somit aufgrund seiner Eigenschaften ein Bersten oder anderweitige Beschädigung des Rohrelementes verhindert werden. Zudem kann aufgrund der Verwendung von großen Mengen von Mangan neben der Erzielung eines kubisch-flächenzentrierten austenitischen Gefüge auch eine Gewichtsreduktion erzielt werden. Diese begründet sich insbesondere durch die geringere Dichte, die Mangan aufweist. Zudem kann das Gewicht des Gasgenerators und insbesondere des Rohrelementes auch weiter reduziert werden, da aufgrund der mechanischen Kennwerte des Werkstoffes des Rohrelementes, insbesondere der Zugfestigkeit und Kaltzähigkeit auch eine geringerer Wandstärke des Rohrelementes ausreichend sein kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Stahllegierung, aus der zumindest das Rohrelement des Gasgenerators hergestellt ist, neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente, angegeben in Gew.%:
    C > 0,03
    Mn > 14,0
    Al > 0,03
    Optional:
    Si > 0,03
    P < 0,03 und /oder
    S < 0,001.
  • Durch die Zugabe von Kohlenstoff kann die Zugfestigkeit des Werkstoffs des Rohrelementes eingestellt beziehungsweise verbessert werden. Zudem wird durch die Zugabe von Kohlenstoff das Gefüge des Werkstoffes im austenitischen Zustand stabilisiert. Der Kohlenstoffgehalt der Stahllegierung kann beispielsweise im Bereich von 0,3–0,7 Gew.% liegen.
  • Durch die Zugabe von Aluminium kann zudem eine Kornfeinung erzielt werden, die die Festigkeit und Zähigkeit des Werkstoffes des Rohrelementes weiter verbessert. Zudem trägt Aluminium zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung des Werkstoffes bei. Der Aluminiumgehalt kann beispielsweise bei mehr als 1,0 Gew.% liegen.
  • Erfindungsgemäß wird auch ein Gasgenerator bereitgestellt, bei dem das Rohrelement eine Mindestzugfestigkeit von 1100 MPa aufweist.
  • Besonders bevorzugt weist das Rohrelement ein duktiles Bruchverhalten nach einer Kaltumformung des Rohrelementes um wenigstens 2%, insbesondere wenigstens 10%, auf. Indem auch nach der Kaltumformung des Rohrelementes ein Sprödbruch vermieden wird, kann das Rohrelement in die für den Einsatz in dem Gasgenerator erforderliche Form gebracht werden, beispielsweise an den Endbereichen verjüngt werden. Die Kaltumformung stellt daher gemäß einer Ausführungsform eine Veränderung des Außenumfangs des Rohrelementes dar. Diese Änderung beträgt in einem Längenabschnitt des Rohrelements bevorzugt zwischen 5 und 30 Prozent des Außenumfangs. Insbesondere 10 bis 15 Prozent in wenigstens einem endseitigen Längenabschnitt des Rohrelements.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Gasgenerator weist das Rohrelement ein duktiles Bruchverhalten bei einer Temperatur bis mindestens –196°C auf. Besonders bevorzugt liegt aber erfindungsgemäß auch bis <= –200°C noch ein duktiles Bruchverhalten vor. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein Gasgenerator mit guter Kaltzähigkeit zur Verfügung gestellt, insbesondere ein Gasgenerator, der keine Übergangstemperatur aufweist und auch bei sehr tiefen Temperaturen bis mindestens –196 °C, vorzugsweise bis <= –200 °C, nicht spröde versagt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Gasgenerator einen Gasgenerator für eine Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung oder Passantenschutzvorrichtung, insbesondere einen Airbag, dar. Der Gasgenerator kann hierbei ein Kaltgasgenerator oder ein Hybridgasgenerator sein. Bei diesen Gasgeneratoren wird zumindest ein Rohrelement vorgesehen, das insbesondere als Druckspeicher und/oder Expansionskammer für Gas dient. Auf diese Rohrelemente wirkt dabei spontan eine große Kraft, der der Werkstoff des Rohrelementes standhalten muss, um ein Bersten des Rohrelementes verhindern zu können.
  • Da bei dem erfindungsgemäß verwendeten Material keinerlei Sprödbruchgefahr beim Auslösen des Airbags besteht, ist das Verletzungsrisiko der Insassen oder des Umfelds eines Fahrzeuges ebenfalls minimiert. Insbesondere kann eine Verletzung der Insassen des Fahrzeuges durch Splitter von dem Gasgenerator und insbesondere dem Rohrelement verhindert werden, da eine Splitterbildung bei der erfindungsgemäß verwendeten Legierung ausgeschlossen werden kann. Mit der vorliegenden Erfindung wird nämlich ein splitterfreier Gasgenerator geschaffen.
  • Alternativ kann der Gasgenerator aber auch für andere Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann der Gasgenerator ein Gasgenerator, insbesondere ein Aerosol-Erzeuger, für einen Feuerlöscher, beispielsweise für Flugzeugtriebwerke sein.
  • Zudem kann der erfindungsgemäße Gasgenerator beispielsweise als Treibgaskartusche oder als Aktuator eines Schleudersitzes eingesetzt werden. Schließlich kann der Gasgenerator auch für Antriebsmodule und/oder Lageregelungen für Raumfahrzeuge verwendet werden.
  • Auch bei diesen Einsatzgebieten des erfindungsgemäßen Gasgenerators können die Vorteile der vorliegenden Erfindung, insbesondere die Kombination aus hoher Kaltzähigkeit, hoher Zugfestigkeit und geringem Gewicht vorteilhaft genutzt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt das Rohrelement des Gasgenerators ein nahtloses Rohr dar. Durch die Verwendung eines nahtlosen Rohres kann die Gefahr des Versagens des Rohrelementes des Gasgenerators weiter verringert werden. Ein solches nahtloses Rohr wird warmgewalzt, beispielsweise nach dem Mannesmann-Erhard-Verfahren, und anschließend vorzugsweise wenigstens einmal kalt gezogen bis auf Endmaß. Alternativ kann ein Warmrohr auch fließgepresst statt gezogen werden. Ebenfalls kann auch vorgesehen werden, anstelle des Warmrohrs ein geschweißtes Rohr für das Rohrelement zu verwenden, insbesondere für pyrotechnisch ausgelöste Gasgeneratoren.
  • Die Erfindung wird im Folgenden erneut anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators; und
  • 2: eine schematische Darstellung des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst der Gasgenerator 1 ein Rohrelement 10, das an einem Ende verschlossen ist. An dem gegenüberliegenden Ende ist das Rohrelement 10 von einer Membran 11 abgedeckt. An dieses Ende des Rohrelementes 10 oder unmittelbar an die Membran 11 schließt sich ein Diffusor 13 an. In dem Diffusor 13 sind Gasaustrittsöffnungen (nicht gezeigt) vorgesehen. Mittels eines in dem Rohrelement 10 angeordneten Zünders 12 kann das in dem Rohrelement 10 unter Druck gespeicherte Gas expandiert werden. Hierdurch wird die Membran 11 zerstört und das Gas strömt in den Diffusor 13 und wird von dort über die Gasaustrittsöffnungen abgegeben. Beispielsweise wird das Gas in den aufblasbaren Teil eines Airbags (nicht gezeigt) eingelassen.
  • In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators 1 gezeigt. Auch dieser Gasgenerator 1 umfasst ein Rohrelement 10. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Rohrenden verjüngt beziehungsweise eingezogen. Die Verjüngung der Rohrenden kann durch Kaltumformung erzeugt werden. Die Rohrenden weisen in der dargestellten Ausführungsform jeweils einen Durchmesser D1 auf, der geringer ist als der Durchmesser des Rohrelementes 10 in dessen mittleren Bereich. Auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform weist der Gasgenerator eine Brennkammer 14 auf, in der ein Zünder sowie die weiteren pyrotechnischen Komponenten vorgesehen ist. An dem Rohrende ist die Brennkammer 14 mit einer daran angeschweißten Scheibe 17 verschlossen. An die Brennkammer 14 schließt sich der Kaltgasspeicher 15 an. Dieser ist von der Brennkammer 14 durch die Membran 11, die auch als Berstscheibe bezeichnet werden kann, getrennt. Der Kaltgasspeicher 15 liegt in dem Bereich des Rohrelementes 10, das den größeren Durchmesser D0 aufweist. An den Kaltgasspeicher 15 schließt sich der Diffusor 13 an. In der 2 ist in dem Bereich des Diffusors 13 ein Füllloch 16 gezeigt. Das Rohrende des Diffusors 13 ist mit einer Scheibe 17 verschweißt, das heißt durch diese verschlossen.
  • In dem Kaltgasspeicher 15 kann beispielsweise ein Druck von 580 bar herrschen. In der Brennkammer 14 kann sich der Druck beim Zünden des Zünders von beispielsweise 580 bar auf 1.200 bar erhöhen. Diesem Druck kann der erfindungsgemäße Gasgenerator 1 aufgrund seiner Eigenschaften zuverlässig standhalten.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird bei der Verwendung für Airbags, den genannten Feuerlöschern oder Schleudersitzen und Lageregelungen für Raumfahrzeuge, das Rohrelement einer Innendruckbeanspruchung und gegebenenfalls dynamischen Berstbeanspruchungen ausgesetzt. Mit dem erfindungsgemäßen Gasgenerator wird hierbei eine ausreichende Sicherheit aufgrund der hohen Kaltzähigkeit und Festigkeit gegeben.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Gasgenerator und insbesondere dem für zumindest das Rohrelement verwendeten Manganstahl kann eine hohe Festigkeit erreicht werden und das Gesamtgewicht verringert werden. Zudem bietet der erfindungsgemäße Gasgenerator aufgrund seiner guten Kaltzähigkeit eine hohe Zuverlässigkeit auch in extremen Situationen. Insbesondere ist ein sprödes oder duktiles Versagen im Betrieb des Gasgenerators nicht zu befürchten.
  • Die vorliegende Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere ist ein sprödes Versagen bei niedrigen Temperaturen nicht zu befürchten. Dennoch wird eine hohe Festigkeit, insbesondere eine Festigkeit von 700 MPa bis 1400 MPa, vorzugsweise 1000 MPa oder 1100 MPa erzielt. Trotz der hohen Festigkeit weist die zur Herstellung zumindest des Rohrelementes verwendete Stahllegierung eine gute Umformbarkeit auf. Insbesondere kann das Rohrelement auch durch Kaltumformung an den Gasgenerator angearbeitet werden, ohne, dass die Umformbarkeit erschwert wäre. Schließlich kann das Gewicht des Gasgenerators vermindert werden. Hierdurch können Leichtbauanforderungen bei einem Gasgenerator erzielt werden. Durch die Verringerung des Materialverbrauchs für einen Gasgenerator kann damit auch der durch das Legieren mit Mangan zu erwartende höhere Preis der zu verwendenden Legierung reduziert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasgenerator
    10
    Rohrelement
    11
    Membran
    12
    Zünder
    13
    Diffusor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2005/0076975 A1 [0004, 0014]
    • DE 10143073 A1 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • EN ISO 148 [0009]

Claims (12)

  1. Gasgenerator, umfassend ein Rohrelement (10) mit hoher Kaltzähigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) ein duktiles Bruchverhalten bei einer Temperatur bis mindestens –196°C aufweist, das Rohrelement (10) eine Mindestzugfestigkeit von 650MPa aufweist, das Rohrelement (10) ein kubisch-flächenzentriertes austenitisches Gefüge mit mindestens 90 Flächenprozent aufweist und das Rohrelement (10) aus einer Stahllegierung besteht, die einen Mangangehalt von mindestens 14,0 Gew.-% aufweist.
  2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) aus einer Stahllegierung besteht, die einen Mangangehalt von mindestens 17,0 Gew.-% aufweist.
  3. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung, aus der zumindest das Rohrelement (10) des Gasgenerators besteht, neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente, angegeben in Gew.%, umfasst: C > 0,03 Mn > 14,0 Al > 0,03
  4. Gasgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt der Stahllegierung einen im Bereich von 0,3–0,7 Gew.% liegt.
  5. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumgehalt der Stahllegierung bei mehr als 1,0 Gew.% liegt.
  6. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestzugfestigkeit des Rohrelementes (10) mindestens 1100 MPa beträgt.
  7. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) ein duktiles Bruchverhalten nach einer Kaltumformung des Rohrelementes (10) um wenigstens 2%, insbesondere wenigstens 10%, aufweist.
  8. Gasgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltumformung eine Veränderung des Außenumfangs des Rohrelementes (10) darstellt.
  9. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) ein duktiles Bruchverhalten bei einer Temperatur bis mindestens –200°C aufweist.
  10. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgenerator (1) einen Gasgenerator für eine Fahrzeuginsassenschutzvorrichtung oder Passantenschutzvorrichtung, insbesondere einen Airbag, darstellt.
  11. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgenerator (1) einen Gasgenerator für einen Feuerlöscher für Flugzeugtriebwerke, für einen Aktuatoren eines Schleudersitzes oder für Lageregelungen für Raumfahrzeuge darstellt.
  12. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) ein nahtloses Rohr darstellt.
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