DE102018106546A1

DE102018106546A1 - Rohrelement für Gasdruckbehälter und Gasdruckbehälter

Info

Publication number: DE102018106546A1
Application number: DE102018106546.9A
Authority: DE
Inventors: Wigbert Christophliemke; Leonhard Rose; Marcel Wellpott
Original assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Current assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US20210002749A1; US11913101B2; CN111868270A; CN111868270B; WO2019180087A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rohrelement mit einem ersten Längenabschnitt (100, 101) und einer in Umfangsrichtung verlaufenden Vertiefung (11) für einen Gasdruckbehälter eines Airbagsystems eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) einen durch die Vertiefung (119 gebildeten zweiten Längenabschnitt (102) aufweist, dass der zweite Längenabschnitt (102) zwischen zwei ersten Längenabschnitten (100, 101) liegt, dass in einem ersten Längenabschnitt (100, 101) der Außenradius (A1) größer ist als der kleinste Außenradius (A2) des zweiten Längenabschnittes (102), dass das Rohrelement (10) eine Zugfestigkeit von >920MPa aufweist, dass die Wandstärke (W2) in dem zweiten Längenabschnitt (102) größer oder gleich der Wandstärke (W1) in einem ersten Längenabschnitt (100, 101) ist, dass der Reduktionsgrad des Außenradius (A2) in der Vertiefung (11) im Bereich von 5 bis 35% bezogen auf den Außenradius (A1) eines ersten Längenabschnittes (100, 101) liegt, und dass das Rohrelement (10) aus einem Werkstoff besteht, der neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfasst:

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter für ein Airbagsystem sowie auf einen Gasdruckbehälter mit einem solchen Rohrelement.
In einem System, das mit hohem Druck beaufschlagt wird, wie beispielsweise einem Airbagsystem eines Kraftfahrzeuges ist es erforderlich Rohrelemente zu verwenden, die diesem Druck standhalten können. In Airbagsystemen beziehungsweise Airbagmodulen müssen beispielsweise Gasdruckbehälter verwendet werden, die beispielsweise das Gehäuse des Gasgenerators und/oder die Reaktionskammer bilden. Insbesondere diese Gasdruckbehälter und das Rohrelement, das den Gasgenerator maßgeblich bildet, müssen einer hohen Innendruckbeanspruchung standhalten können.
Aus diesem Grund ist es bekannt, hochfeste Werkstoffe für Rohrelemente für Gasdruckbehälter zu verwenden. Zugleich muss das Rohrelement aber Geometrien aufweisen, die beispielsweise den An- oder Einbau weiterer Bauteile erlauben. Beispielsweise können dazu die Rohrelemente Vertiefungen am Rohrumfang aufweisen. Allerdings ist es für den sicheren Betrieb des Gasdruckbehälters erforderlich, dass dieser trotz der eingebrachten Geometrie nicht versagt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter und einen Gasdruckbehälter zu schaffen, die einen sicheren Betrieb des Gasdruckbehälters erlauben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter eines Airbagsystems eines Kraftfahrzeuges, wobei das Rohrelement wenigstens einen ersten Längenabschnitt und wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefung aufweist. Das Rohrelement ist dadurch gekennzeichnet,

- dass das Rohrelement mindestens einen zweiten Längenabschnitt aufweist, der durch die Vertiefung gebildet ist, die sich über zumindest einen Teil des Umfangs des Rohrelementes erstreckt,
- dass der zweite Längenabschnitten zwischen zwei ersten Längenabschnitten liegt,
- dass in mindestens einem ersten Längenabschnitt der Außenradius des Rohrelementes größer ist als der kleinste Außenradius des mindestens einen zweiten Längenabschnittes,
- dass das Rohrelement eine Zugfestigkeit von >920MPa aufweist,
- dass die Wandstärke des Rohrelementes in dem mindestens einen zweiten Längenabschnitt größer oder gleich der Wandstärke in dem mindestens einen ersten Längenabschnitt des Rohrelementes ist,
- dass der Reduktionsgrad des Außenradius in der Vertiefung im Bereich von 5 bis 35% bezogen auf den Außenradius mindestens eines ersten Längenabschnittes liegt, und
- dass das Rohrelement aus einem Werkstoff besteht, der neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfasst:

C	0,05 - 0,2%
Si	≤ 0,9%
Mn	0,2 - 2,0%
Cr	0,05 - 2%
Mo	< 0,5%
Ni	<1,0%
Nb	0,005 - 0,10%
Al	<0,07%
Ti	<0,035% und
B	<0,004%.

Als Gasdruckbehälter eines Airbagsystems eines Kraftfahrzeuges wird vorzugsweise das Gehäuse eines Gasgenerators eines Airbagsystems eines Kraftfahrzeuges bezeichnet. In dem Gasdruckbehälter wird Gas gespeichert oder erzeugt. Zudem wird aus dem Gasdruckbehälter Gas mit hoher Geschwindigkeit ausgegeben. Über den Gasgenerator wird dann der Gassack (Airbag) mit Gas befüllt. Der Gasgenerator kann hierbei ein Kaltgasgenerator oder ein Hybridgasgenerator sein. Bei diesen Gasgeneratoren wird zumindest ein Rohrelement vorgesehen, das insbesondere als Druckgasspeicher und/oder Expansionskammer für Gas dient. Das Rohrelement kann beispielsweise das Gehäuse eines Airbaggenerators, beispielsweise den Injektor, darstellen. Auf diese Rohrelemente wirkt dabei spontan eine große Kraft, der der Werkstoff des Rohrelementes standhalten muss, um ein Bersten des Rohrelementes verhindern zu können. 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 eines Kaltgasgenerators dar. Bei einem Hybridgasgenerator ist außer dem Druckspeicher für das Gas zusätzlich eine pyrotechnische Baugruppe zur Gaserzeugung vorgesehen.
Durch die Innendruckbeanspruchung des Rohrelementes des Gasgenerators, beispielsweise eines Airbagmoduls, liegt die höchste Belastungsrichtung des Rohrmaterials quer zu der Rohrachse. Dieser Spannungszustand führt dazu, dass beispielsweise ein bei der Herstellung oder Umformung des Rohrelementes entstandener Riss sich parallel zu der Rohrachse ausbreitet.
Das Rohrelement stellt vorzugsweise ein Rohrelement mit rundem Querschnitt dar. Das Rohrelement weist wenigstens einen ersten Längenabschnitt und wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefung auf. Die in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefung stellt vorzugsweise eine spanlos hergestellte Vertiefung dar. Die Vertiefung kann auch als Prägung oder Sicke bezeichnet werden. Als erster Längenabschnitt wird hierbei ein Teil der Länge des Rohrelementes bezeichnet. Dieser erste Längenabschnitt ist erfindungsgemäß der Längenabschnitt, der bei einer Umformung des Rohrelementes zur Einbringung der Vertiefung nicht oder nur geringfügig umgeformt wird. Vorzugsweise ist der Außenradius des Rohrelementes in dem mindestens einen ersten Längenabschnitt über dessen Länge konstant. Weiter bevorzugt ist auch die Wanddicke des Rohrelementes in dem ersten Längenabschnitt konstant.
Weiterhin weist das Rohrelement mindestens einen zweiten Längenabschnitt auf, der durch die Vertiefung gebildet ist. Insbesondere wird als zweiter Längenabschnitt der Teil der Länge des Rohrelementes bezeichnet, der der Breite, das heißt der Abmessung in axialer Richtung, der Vertiefung entspricht. Die Vertiefung erstreckt sich erfindungsgemäß über zumindest einen Teil des Umfangs des Rohrelementes. Die Vertiefung ist dabei so ausgerichtet, dass die durch die Vertiefung gebildete Vertiefung in radialer Richtung des Rohrelementes nach innen gerichtet ist. Die Vertiefung weist die Geometrie auf, die der Kontur des Werkzeuges, durch das die Vertiefung eingebracht wird, entspricht.
In mindestens einem ersten Längenabschnitt ist der Außenradius des Rohrelementes größer als der kleinste Außenradius des mindestens einen zweiten Längenabschnittes. Als kleinster Außenradius des zweiten Längenabschnittes wird der Außenradius bezeichnet, der an der tiefsten Stelle der Vertiefung vorliegt.
Der zweite Längenabschnitt liegt erfindungsgemäß zwischen zwei ersten Längenabschnitten. Dies bedeutet, dass die Vertiefung zwischen zwei ersten Längenabschnitten eingebracht ist. Der zweite Längenabschnitt kann dabei unmittelbar an den ersten Längenabschnitten angrenzen. Allerdings ist es auch möglich, dass zwischen dem zweiten Längenabschnitt und den benachbarten ersten Längenabschnitten jeweils ein dritter Längenabschnitt liegt, der später genauer beschrieben wird.
Erfindungsgemäß weist das Rohrelement eine Zugfestigkeit von >920MPa auf. Bevorzugt weist das Rohrelement eine Zugfestigkeit von >1000 MPa auf. Diese Zugfestigkeit liegt vorzugsweise zumindest in den ersten Längenabschnitten und/oder in dem zweiten Längenabschnitt und/oder dritten Längenabschnitt vor.
Zudem ist die Wandstärke des Rohrelementes in dem mindestens einen zweiten Längenabschnitt größer oder gleich der Wandstärke in mindestens einem ersten Längenabschnitt des Rohrelementes ist. Bei dem zweiten Längenabschnitt handelt es sich um den Teil der Länge, in dem die Vertiefung eingebracht ist. Bei der Umformung zur Herstellung der Vertiefung, beispielsweise während eines Drückwalzens, eines Crimpens oder Pressens, erfolgt in der Regel eine Verringerung der Wandstärke des Rohrelementes in diesem Bereich. Da aber auch dieser Bereich bei dem Betrieb des Gasgenerators den Belastungen ausgesetzt wird, ist gemäß der Erfindung auch in diesem zweiten Längenabschnitt eine Wandstärke vorgesehen, die der Wandstärke des ersten Längenabschnittes entspricht oder größer ist. Die Wandstärke kann vor oder während der Umformung des Rohres eingestellt werden. Während der Umformung kann dazu eine Materialflusssteuerung beziehungsweise eine Einstellung des Wandmaterialflusses bei der Erzeugung der Vertiefung erfolgen. Insbesondere kann ein auf die Vertiefung hin gerichteter Marterialfluss beziehungsweise eine Materialverdrängung eingestellt werden. Hierdurch können auch Beschädigungen des Rohres während der Einbringung der Vertiefung verhindert oder ausgeglichen werden.
Erfindungsgemäß liegt der Reduktionsgrad des Außenradius in der Vertiefung im Bereich von 5 bis 35% bezogen auf den Außenradius mindestens eines ersten Längenabschnittes. Insbesondere kann der Reduktionsgrad in der Vertiefung im Bereich von 10 bis 25 % bezogen auf den Außenradius mindestens eines ersten Längenabschnittes liegen. Bei zwei ersten Längenabschnitten, die unterschiedliche Außenradii aufweisen, ist der Reduktionsgrad vorzugsweise auf den größeren Außenradius bezogen. Damit weist die Vertiefung eine große Tiefe auf und Einbau oder Anbauteile können daran zuverlässig gehalten werden. Ein solch großer Reduktionsgrad ist bei dem erfindungsgemäßen Rohrelement möglich, da die Wandstärke in dem zweiten Längenabschnitt größer oder gleich der Wandstärke in dem ersten Längenabschnitt ist.
Zudem besteht das Rohrelement aus einem Werkstoff, der neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfasst:

C 0,05 - 0,2%

Si ≤ 0,9%

Mn 0,2 - 2,0%

Cr 0,05 - 2%

Mo < 0,5%

Ni <1,0%

Nb 0,005 - 0,10%

Al <0,07%

Ti <0,035% und

B <0,004%.
Dieser Werkstoff ist ein hochfester und besonders kaltzäher Werkstoff, so dass dieser den Belastungen beim Betrieb des Gasgenerators standhalten kann. Aufgrund der Materialstärke, die während und nach der Einbringung der Vertiefung in dem zweiten Längenabschnitt vorliegt, ist trotz des großen Reduktionsgrades eine Beschädigung in dem zweiten Längenabschnitt nicht zu befürchten.
Die Legierungselemente des Werkstoffes, aus dem das Rohrelement besteht, tragen zu der Erzielung der erforderlichen Eigenschaften des Rohrelementes für den Einsatz in einem Gasdruckbehälter bei. Die Anteilsangaben der Legierungselemente werden in Gewichtsprozent angegeben, auch wenn dies im Folgenden nicht explizit erwähnt ist, sondern nur auf Prozent Bezug genommen wird. Der Werkstoff aus dem das Rohrelement hergestellt ist, wird auch als Legierung, Stahllegierung oder Stahl bezeichnet.
Kohlenstoff (C) wird in einer Menge von mindestens 0,05% zugegeben, um ein martensitisches Gefüge und eine gewünschte Festigkeit des Martensits zu erreichen. Ein zu hoher C-Gehalt würde aber unter anderem die Schweißeignung negativ beeinflussen. Der C-Gehalt ist erfindungsgemäß daher auf max. 0,2% begrenzt. Vorzugsweise liegt der Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von 0,08 bis 0,2 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,08 bis 0,13%.
Mangan (Mn) erhöht die Festigkeit im Stahl durch seine mischkristallverfestigende Wirkung. Weiterhin wird mit steigendem Mn-Gehalt die Austenitumwandlung verzögert, was zur Erhöhung der Durchhärtbarkeit und Bildung von Martensit beim Vergüten führt. Da Legierungen über ein Temperaturintervall erstarren, liegen am Ende der Erstarrung lokale Bereiche, beispielsweise zwischendendritische Räume, vor, die unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen. Diese Verteilung von Bereichen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen wird im Folgenden auch als Gefügezeiligkeit bezeichnet. Das Rohr, aus dem das Rohrelement hergestellt wird, wird beispielsweise durch Ziehen und/oder Walzen hergestellt. Bedingt durch den Rohrherstellungsprozess werden daher die Mikroseigerungen in dem Vormaterial in die Länge ausgewalzt oder gezogen und können zu Gefügezeiligkeit führen. Legierungselemente weisen in der Regel im Werkstoff bestimmte mischkristallverfestigende Wirkungen auf, die davon abhängig sind, wie stark das Kristallgitter von Eisen durch das entsprechende Element verzerrt wird. Elemente, die stark mischkristallverfestigende Wirkung haben, wie Mangan oder Silizium, führen dazu, dass die in Längsrichtung ausgeprägten Gefügezeilen mit unterschiedlichen Elementanteilen andere Festigkeiten haben. Bei dem durch Innendruck belasteten Rohrelement, insbesondere Airbagrohr, ist dies von besonderem Nachteil, da die Hauptbelastung durch Innendruck in Rohrumfangsrichtung liegt und damit quer durch die mikroseigerungsbedingten Zeilen verläuft. Die Zeilen mit geringer Festigkeit stellen hierbei eine Schwächung beziehungsweise metallurgische Kerbe dar. Diese Schwächung beeinflusst unter anderem die Übergangstemperatur des Werkstoffes negativ. Mangan wird erfindungsgemäß in einem Gehalt weniger als 2,0% verwendet. Hierdurch kann die starke mischkristallverfestigende Wirkung des Mangans minimiert werden und dadurch auch die Gefügezeiligkeit verringert werden. Allerdings wird erfindungsgemäß Mangan zumindest in einer Menge von 0,2% zugegeben. Hierdurch kann in dem Werkstoff vorhandener Schwefel abgebunden werden. Vorzugsweise liegt der Mangangehalt der Stahllegierung im Bereich von 0,4 bis 0,6 Gew.-%. Diese geringen Mangananteile sind erfindungsgemäß möglich, da die Durchhärtbarkeit, die bei anderen Legierungen durch Manganzugabe gewährleistet werden muss, erfindungsgemäß teilweise durch den erhöhten Chromgehalt erzielt wird. Erfindungsgemäß kann Mangan aber auch in einer Menge im Bereich von 1,2 bis 2% zugegeben werden.
Silizium (Si) hat eine desoxidierende und stark mischkristallverfestigende Wirkung im Stahl, die stärker ist als die Wirkung von Mangan. Daher ist der Gehalt von Silizium in dem Werkstoff erfindungsgemäß auf maximal 0,9%, und beispielsweise auf maximal 0,5%, auf maximal 0,4% oder auf maximal 0,1% begrenzt.
Chrom (Cr) verzögert im Stahl die Austenitumwandung die notwendig ist, um hochfestes martensitisches Gefüge zu erhalten. Somit wird durch die Zugabe von Chrom die Durchhärtbarkeit des Werkstoffes und damit des Rohrelementes verbessert. Da die erfindungsgemäße Legierung wenig Mangan enthalten kann, wird die Durchhärtbarkeit durch die Chrom-Zugabe erzielt. Chrom kann in einer Menge von mehr als 0,05% oder von mehr als 0,6% oder von mehr als 0,8% zugegeben werden. Chrom weist zudem im Stahl eine geringere mischkristallverfestigende Wirkung als Mangan auf. Daher ist die Schwächung des Materials in Rohrumfangsrichtung durch die Mikroseigerung und damit die Gefügezeiligkeit deutlich kleiner als bei der Zugabe von größeren Mengen von Mangan. Hierdurch kann unter anderem die Kaltzähigkeit und die Übergangstemperatur positiv beeinflusst werden, das heißt, hin zu geringeren Temperaturen verschoben werden. Für die Erreichung der notwendigen Durchhärtbarkeit liegt erfindungsgemäß der Chromgehalte in dem Werkstoff im Bereich zwischen 0,05 und 2,0%. Vorzugsweise liegt der Chromgehalt in dem Werkstoff im Bereich zwischen 0,8% und 1,0%. Alternativ kann der Chromgehalt aber auch im Bereich zwischen 0,05 und 0,6% liegen.
Molybdän (Mo) bewirkt im Stahl eine Erhöhung der Festigkeit durch seine mischkristallverfestigende Wirkung und Karbidausscheidung. Gleichzeitig verzögert Molybdän die Austenitumwandlung. Hierdurch wird die Durchhärtbarkeit verbessert. Zudem wirkt Molybdän zur Vermeidung der Anlaßsprödigkeit (temper embrittlement). Der Molybdängehalt ist erfindungsgemäß auf maximal 0,5 Gew.-%, und weiter bevorzugt auf 0,3 Gew.-% begrenzt.
Bei einem Molybdängehalt von mehr als 0,5 Gew.-% wurde herausgefunden, dass es zu einer intensiven Karbidbildung kommt. Durch das Abbinden von Kohlenstoff in diesen Karbiden, ist nicht genug gelöster Kohlenstoff in der austenitischen Matrix während des Härtungsprozesses vorhanden. Somit würde dies zur Absenkung der Härtbarkeit der Stahllegierung und damit der Absenkung der Festigkeit beim Härten führen.
Nickel (Ni) wird verwendet, um die Zähigkeit der Stähle zu verbessern. Um eine spürbare Verbesserung der Zähigkeit zu erzielen, wurde herausgefunden, dass eine Zugabe von Nickel vorteilhaft ist. Nickel ist jedoch ein teures Element. Daher ist der Ni-Gehalt erfindungsgemäß auf maximal 1,0 Gew.-% begrenzt. Als besonders bevorzugt hat sich ein Nickelgehalt im Bereich von 0,1-0,4 Gew.-% erwiesen. Hierbei kann eine ausreichende Verbesserung der Zähigkeit des Werkstoffes bei gleichzeitig tolerablen Kosten erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird Niob (Nb) in einer Menge im Bereich von 0,005 - 0,1 Gew.-% zugegeben. Durch die Zugabe von Niob wird die Rekristallationstemperatur des Werkstoffes erhöht. Dies wirkt sich positiv auf die Feinkornbildung bei der Herstellung des Rohrelementes aus. Das feine Korn erhöht die Zähigkeit des Stahls und trägt zur Absenkung der Übergangstemperatur bei. Es wurde herausgefunden, dass ein Gehalt von mindestens 0,005 Gew.-% Niob notwendig ist, um eine spürbare Verbesserung zu erzielen. Zudem wurde herausgefunden, dass der Niob-Gehalt maximal 0,1 Gew.% betragen sollte. Bei höherem Niobgehalt wurde die Bildung von unerwünschten primären groben Niob-Karbiden erkannt, die die Zähigkeit des Werkstoffes negativ beeinflussen. Ohne die Zugabe von Niob oder einer Zugabe von weniger als 0,005 Gew.-% ist das Erzielen der für ein Rohrelement eines Gasgenerators erforderlichen Eigenschaften nicht möglich.
Indem das erfindungsgemäße Rohrelement aus einem hochfesten Werkstoff besteht und einen hohen Reduktionsgrad im Bereich der Vertiefung aufweist, kann zum einen den Belastungen bei der Verwendung des Rohrelementes standgehalten werden. Zum anderen kann aufgrund der erfindungsgemäßen Wandstärke im Bereich der Vertiefung, die beispielsweise durch Materialflusssteuerung während der Einbringung der Vertiefung erzielt werden kann, ein Versagen des Rohrelementes aufgrund von Fehlern in dem Material des Rohrelementes oder aufgrund zu geringer Wandstärke verhindert werden. Dies gilt umso mehr bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wonach die Wandstärke des Rohrelements im ersten Wandabschnitt nur von 1,0 bis 2,5 mm beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Werkstoff neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen:

C 0,08 - 0,13%

Si ≤0,1%

Mn 0,4 - 0,6%

Cr 0,8 - 1,0%

Mo 0,1-0,5%

Ni 0,1 - 0,4% und

Nb 0,005 - 0,10%.
Der Werkstoff kann optional mindestens eines der folgenden Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfassen:

P < 0,020%

S < 0,005%

Ti < 0,015% und

Al 0,001 - 0,05%.
Titan (Ti) hat eine große Affinität zu Stickstoff. Titannitride bilden sich bereits während der Erstarrung und werden dadurch mehrere Mikrometer groß (20µm). Titannitride haben eine höhere Härte im Vergleich zu Martensit und wirken in dem Werkstoff bei mechanischer Belastung zur Bildung von metallurgischen Kerben. Durch die Titannitride wird die Spannungsverteilung in dem Werkstoff inhomogen verteilt und fördert somit ein unkontrolliertes (sprödes) Versagen beziehungsweise Erhöhung der Übergangstemperatur. Erfindungsgemäß ist der Titangehalt daher auf maximal 0,035% bevorzugt maximal 0,015% begrenzt. Vorzugsweise liegt Titan zumindest in einer Menge von 0,01% und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,01-0,035% vor.
Schwefel (S) ist ein unerwünschtes Element im Stahl, da er durch Bildung der Sulfide die Zähigkeit negativ beeinflusst. Daher wird der S-Gehalt auf maximal 0,005% begrenzt.
Phosphor (P) ist ein unerwünschtes Element im Stahl, da er zur Seigerung und Versprödung beim Anlassen (temper embrittlement) führt und somit die Zähigkeit beziehungsweise Übergangstemperatur negativ beeinflusst. Daher wird der P-Gehalt auf maximal 0,02% begrenzt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Werkstoff neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen:

C 0,08 - 0,20%

Si ≤ 0,4%

Mn 1,2 - 2%

Cr 0,05 - 0,6%

Mo 0,05 - 0,5%

Ni 0,1-0,4%

Nb 0,005 - 0,050%

Al 0,01 - 0,07%

Ti 0,01 - 0,035% und

B 0,001 - 0,004%.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vertiefung in dem Rohrelement, die einen zweiten Längenabschnitt bildet, eine umlaufende Vertiefung. Die Vertiefung erstreckt sich über den gesamten Umfang des Rohrelementes und stellt eine durchgehende Vertiefung. Die Vertiefung wird im Folgenden auch als Ringsicke bezeichnet. Eine solche Vertiefung kann in das Rohr beispielsweise durch Drückwalzen, Prägen, Pressen oder Crimpen eingebracht werden. Insbesondere kann die Vertiefung durch rotierende Werkzeuge, wie Drückwalzen mit einer der Vertiefung entsprechenden Kontur eingebracht werden. Ein Vorteil eines Rohrelementes, in dem eine Ringsicke eingebracht ist, besteht darin, dass diese hieran ein Innenbauteil, wie beispielsweise eine Innenwand eines Gasdruckbehälters eingebracht werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Ringsicke weist das Rohrelement mindestens eine Vertiefung auf, die einen zweiten Längenabschnitt bildet und eine in Umfangsrichtung unterbrochene Vertiefung darstellt. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Vertiefung mehreren Teilvertiefungen, die zueinander beabstandet in Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Vertiefung ist daher durch Unterbrechungen geteilt. In den Unterbrechungen entspricht der Außenradius des zweiten Längenabschnittes vorzugsweise dem Außenradius des ersten Längenabschnittes. In jedem Fall ist der Außenradius der Unterbrechung der Vertiefung größer als der Außenradius der Teilvertiefungen. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Herstellung des Rohrelementes vereinfacht ist. Insbesondere ist die Rotation von Werkzeugen nicht erforderlich.
Vorzugsweise schließt sich der zweite Längenabschnitt unmittelbar an die ersten Längenabschnitte an. Dies bedeutet, dass die Reduktion des Außenradius in dem zweiten Längenabschnitt ausschließlich der Kontur des Werkzeuges zum Einbringen der Vertiefung entspricht.
Sofern durch die Einbringung der Vertiefung eine Einziehung oder ein Einfall benachbart zu dem zweiten Längenabschnitt auftritt, ist diese erfindungsgemäß gering. Die Einziehung wird auch als dritter Längenabschnitt bezeichnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der zwischen einem ersten Längenabschnitt und einem benachbarten zweiten Längenabschnitt gebildete dritte Längenabschnitt, bei dem der Außenradius von dem Außenradius des ersten Längenabschnitts zu dem axialen äußeren Rand der Vertiefung abnimmt, eine Länge von maximal 2,5 mal der Wandstärke in dem ersten Längenabschnitt auf. Als Länge des dritten Längenabschnittes wird die Erstreckung in axialer Richtung des Rohrelementes bezeichnet.
Vorzugsweise ist das Rohrelement frei von oberflächennahen Rohrfehlern. Dies kann insbesondere durch die Wandstärke des zweiten Längenabschnittes gewährleistet werden. Die oberflächennahmen Rohrfehler sind insbesondere eingefallene Wand, Innenfältelung, Innenfehler (Spannungsrisse) oder Überwalzung. Diese oberflächennahe Rohrfehler führen in der Regel zu Rissbildungen. Oberflächennahe Rohrfehler, die bei der Herstellung des Rohres auftreten können, werden bei einer Einbringung der Vertiefung, bei der die Wandstärke der Vertiefung verringert wird, verstärkt. Bei dem erfindungsgemäßen Rohrelement hingegen sind diese oberflächennahe Rohrfehler eingedämmt oder sogar verringert.
Das erfindungsgemäße Rohrelement kann aus einem nahtlosen Rohr oder einem geschweißten Rohr hergestellt sein. Durch die Verwendung eines nahtlosen Rohres kann die Gefahr des Versagens des Rohrelementes des Gasdruckbehälters weiter verringert werden. Ein solches nahtloses Rohr wird beispielsweise 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.
Bei einem Rohrelement, das aus einem geschweißten Rohr herstellt wird, ist insbesondere bei der Einbringung der Vertiefung, die eine Wandstärkenverringerung mit sich bringt, mit Beschädigungen in dem Bereich der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone zu rechnen. Bei dem erfindungsgemäßen Rohrelement liegen im Bereich der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone in dem der zweite Längenabschnitt liegt, Risse von einer maximalen Länge von 50µm, vorzugweise von einer maximale Länge von 20 µm vor. Besonders bevorzugt ist der Bereich der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone rissfrei. Dies wird unter anderem durch die Wandstärke des Rohrelementes in dem zweiten Längenabschnitt gewährleistet, die größer oder gleich der Wandstärke in dem ersten Längenabschnitt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Gasdruckbehälter für ein Airbagsystem eines Kraftfahrzeuges, wobei der Gasdruckbehälter mindestens ein erfindungsgemäßes Rohrelement aufweist.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich des Rohrelementes beschrieben werden, gelten - soweit anwendbar - entsprechend für den Gasdruckbehälter und umgekehrt.
Im Folgenden wird die Erfindung erneut unter Bezugnahme auf beiliegenden Figuren erläutert. Hierbei zeigen:

1: eine schematische Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes;
2: eine schematische Schnittansicht der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes;
3: eine Detailansicht des Details D aus 2;
4: eine schematische Detailansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes;
5: eine schematische Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes; und
6: eine schematische Axialansicht der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes bei der Herstellung.

In 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes 10 gezeigt. Die schematische Schnittansicht dieses Rohrelementes ist in den 2 und 3 gezeigt. Das Rohrelement 10 weist an einem Stirnende einen ersten Längenabschnitt 100 auf. In diesem ersten Längenabschnitt 100 weist das Rohrelement 10 einen Außenradius A1 auf. Dieser Außenradius A1 ist über die Länge des ersten Längenabschnittes 100 konstant. Zudem ist in der dargestellten Ausführungsform auch die Wandstärke des Rohrelementes in dem ersten Längenabschnitt 100 konstant. In axialer Richtung schließt sich an den ersten Längenabschnitt 100 ein zweiter Längenabschnitt 102 an, der durch eine Vertiefung 11 gebildet wird. Die Vertiefung 11 stellt in der ersten Ausführungsform des Rohrelementes 10 eine Ringsicke dar. Der Außenradius A2 an der tiefsten Stelle der Vertiefung 11 ist geringer als der Außenradius A1 des ersten Längenabschnittes 100. Die Vertiefung 11 weist in der dargestellten Ausführungsform einen kreisbogenförmigen Verlauf auf. Die Wandstärke in dem zweiten Längenabschnitt 102 entspricht der Wandstärke in dem ersten Längenabschnitt 100.
Die Vertiefung 11 kann durch eine oder mehrere Drückwalzen (nicht gezeigt) mit einer entsprechenden Kontur an deren Außenumfang eingebracht worden sein. Insbesondere kann die Vertiefung 11 durch Drückwalzen oder Prägen eingebracht worden sein. Vor oder während des Einbringens der Vertiefung 11 erfolgt eine gezielte Materialflusssteuerung, um die Verringerung der Wandstärke in dem zweiten Längenabschnitt 102 zu verhindern. Das Rohr, in das zur Herstellung des Rohrelementes 10 die Vertiefung 11 eingebracht wird, weist den Außenradius A1 und die Wandstärke des ersten Längenabschnittes 100 auf.
In axialer Richtung schließt sich an die Vertiefung 11 und damit den zweiten Längenabschnitt 102 ein weiterer erster Längenabschnitt 101 an. Dieser Längenabschnitt 101 entspricht von der Wandstärke und dem Außenradius A1 den Abmessungen des ersten Längenabschnittes 100, der an der Stirnseite des Rohrelementes 10 liegt. Somit weist das Rohrelement 10 außer in dem zweiten Längenabschnitt 102 einen konstanten Außenradius A1 auf.
In der 4 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrelementes 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen den beiden ersten Längenabschnitten 100, 101 und dem dazwischenliegenden zweiten Längenabschnitt 102 jeweils ein dritter Längenabschnitt 103, 104 gebildet. In diesen dritten Längenabschnitten 103, 104 nimmt der Außenradius A1 von dem jeweilig angrenzenden ersten Längenabschnitt 100, 101 zu dem axial äußern Ende des zweiten Längenabschnittes 102 ab. Die Wandstärke W3 ist dabei vorzugsweise in den dritten Längenabschnitten 103, 104 konstant. Die dritten Längenabschnitte 103, 104 können auch als Einzug oder Einfall der Wand des Rohrelementes 10 bezeichnet werden und werden durch die Einbringung der Vertiefung 11 erzeugt. Es liegt allerdings auch im Rahmen der Erfindung, dass das Rohrelement 10 keine dritten Längenabschnitte 103, 104 aufweist. Dies kann beispielsweise durch gezielte Materialflusssteuerung oder Andrücken bei der Einbringung der Vertiefung 11 erzielt werden. Auch bei der zweiten Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, sind die dritten Längenbereiche 103, 104 gering gehalten und deren axiale Länge entspricht vorzugsweise maximal der dem 2,5-fachen der Wandstärke der ersten Längenabschnitte 100, 101. Die Wandstärke W3 des dritten Längenabschnittes 103 entspricht mindestens der Wandstärke W1 der ersten Längenabschnitte 100, 101. Die Wandstärke W2 in dem zweiten Längenabschnitt 102 ist vorzugsweise gleich oder größer als die Wandstärke W3 in den dritten Längenabschnitten 103, 104.
In den 5 und 6 ist eine dritte Ausführungsform des Rohrelementes 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der zweite Längenabschnitt 102 durch eine Vertiefung 11 gebildet, die in Umfangsrichtung Unterbrechungen 12 aufweist. Die Vertiefung 11 wird daher durch einzelne Teilvertiefungen 110 gebildet, die in Umfangsrichtung des Rohrelementes 10 verteilt liegen. In der 6 ist schematisch die Herstellung des Rohrelementes 10 nach der dritten Ausführungsform gezeigt. Das Werkzeug 2, das zur Herstellung verwendet wird, besteht aus mehreren radial zustellbaren Segmenten. In der 6 besteht das Werkzeug 2 aus acht Segmenten, die, wie durch den Pfeil P angedeutet, in radialer Richtung auf das Rohr, aus dem das Rohrelement 10 gebildet werden soll, hin und von diesem weg bewegt werden können. Das Werkzeug 2 stellt hierbei ein Presswerkzeug dar. Durch das Werkzeug 2 werden in die Rohrwand des Rohres Teilvertiefungen 110 eingebracht. Zwischen diesen Teilvertiefungen 110 liegen Unterbrechungen 12 vor. Der Außenradius A2 der Teilvertiefungen 110 wird als der Außenradius des zweiten Längenabschnittes 102 bezeichnet. In den Unterbrechungen 12 weist das Rohrelement 10 einen Außenradius auf, der dem Außenradius A1 der ersten Längenabschnitte 100, 101 entspricht oder geringfügig kleiner ist als der Außenradius A1. In jedem Fall ist der Außenradius der Unterbrechungen 12 aber größer als der Außenradius A2 im Bereich der Teilvertiefungen 110. Die Wandstärke des Rohrelementes 10 ist in dem Bereich der Teilvertiefungen 110 gleich oder größer als die Wandstärke in den ersten Längenabschnitten 100, 101.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Rohrelement für einen Gasdruckbehälter geschaffen, das aus einem nahtlosen oder geschweißten Rohr hergestellt sein kann, das aus einem hochfesten Werkstoff besteht und dass dennoch Vertiefungen aufweist, die eine große Tiefe aufweisen können, das heißt einen großen Reduktionsgrad des Außenradius aufweisen. Das Rohrelement weist dabei trotz der großen Vertiefung wenige oder keine Rohrfehler auch in dem Bereich der Schweißnaht auf. Hierzu wird insbesondere die Wandstärke des Rohrelementes in dem Bereich der Vertiefung gleich oder größer als die Wandstärke des Rohres, aus dem das Rohrelement hergestellt wird, eingestellt.
Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann das Rohrelement mit Vertiefung(en), beispielsweise einer oder mehreren umlaufenden Sicken, fertigungssicher aus einem Rohr mit hochfestem Werkstoff hergestellt werden und dieses Rohrelement kann in Gasdruckbehältern, beispielsweise als Gehäuserohr eines Airbaggenerators, eingesetzt werden, ohne ein Versagen befürchten zu müssen. Durch die Vertiefungen kann zum einen der Einbau oder Anbau weiter Teile des Gasdruckbehälters, wie beispielsweise einer Berstscheibe vereinfacht werden. Zudem wird die Stabilität des Rohrelementes durch das Einbringen der Vertiefung mit großer Wandstärke weiter gesteigert.
Bezugszeichenliste

10: Rohrelement
100: erster Längenabschnitt
101: erster Längenabschnitt
102: zweiter Längenabschnitt
103: dritter Längenabschnitt
11: Vertiefung
110: Teilvertiefung
12: Unterbrechung
A1: Außendurchmesser erster Längenabschnitt
A2: Außendurchmesser zweiter Längenabschnitt
A3: Außendurchmesser dritter Längenabschnitt
W1: Wandstärke erster Längenabschnitt
W2: Wandstärke zweiter Längenabschnitt
W3: Wandstärke dritter Längenabschnitt
2: Werkzeug
P: Pfeil

Claims

Rohrelement für einen Gasdruckbehälter eines Airbagsystems eines Kraftfahrzeuges, wobei das Rohrelement (10) wenigstens einen ersten Längenabschnitt (100, 101) und wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefung (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, - dass das Rohrelement (10) mindestens einen zweiten Längenabschnitt (102) aufweist, der durch die Vertiefung (11) gebildet ist, die sich über zumindest einen Teil des Umfangs des Rohrelementes (10) erstreckt, - dass der zweite Längenabschnitt (102) zwischen zwei ersten Längenabschnitten (100, 101) liegt, - dass in mindestens einem ersten Längenabschnitt (100, 101) der Außenradius (A1) des Rohrelementes (10) größer ist als der kleinste Außenradius (A2) des mindestens einen zweiten Längenabschnittes (102), - dass das Rohrelement (10) eine Zugfestigkeit von >920MPa aufweist, - dass die Wandstärke (W2) des Rohrelementes (10) in dem mindestens einen zweiten Längenabschnitt (102) größer oder gleich der Wandstärke (W1) in mindestens einem ersten Längenabschnitt (100, 101) des Rohrelementes (10) ist, - dass der Reduktionsgrad des Außenradius (A2) in der Vertiefung (11) im Bereich von 5 bis 35% bezogen auf den Außenradius (A1) mindestens eines ersten Längenabschnittes (100, 101) liegt, und - dass das Rohrelement (10) aus einem Werkstoff besteht, der neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfasst: C 0,05 - 0,2% Si ≤ 0,9% Mn 0,2 - 2,0% Cr 0,05 - 2% Mo < 0,5% Ni <1,0% Nb 0,005 - 0,10% Al <0,07% Ti <0,035% und B <0,004%.
Rohrelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) eine Zugfestigkeit Rm von >1000MPa aufweist.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsgrad des Außenradius in der Vertiefung (11) im Bereich von 10 bis 25 % bezogen auf den Außenradius (A1) mindestens eines ersten Längenabschnittes (100, 101) liegt.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vertiefung (11), die den zweiten Längsabschnitt (102) bildet, eine umlaufende Vertiefung (11) ist.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vertiefung (11), die den zweiten Längenabschnitt (102) bildet, eine in Umfangsrichtung unterbrochene Vertiefung (110) darstellt.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten Längenabschnitt (100, 101) und einem benachbarten zweiten Längenabschnitt (102) ein dritter Längenabschnitt (103, 104) gebildet ist, bei dem der Außenradius (A3) von dem Außenradius (A1) des ersten Längenabschnitts (100, 101) zu dem axialen äußeren Rand der Vertiefung (11) abnimmt und dieser dritte Längenabschnitt (103, 104) eine Länge von maximal 2,5 mal der Wandstärke (W1) in dem ersten Längenabschnitt (100, 101) aufweist.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) frei von oberflächennahen Rohrfehlern ist.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (10) aus einem geschweißten Rohr hergestellt ist.
Rohrelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone des Rohrelementes (10), der in dem zweiten Längenabschnitt (102) liegt, Risse von einer maximalen Länge von 50µm, vorzugweise von einer maximale Länge von 20 µm vorliegen und besonders bevorzugt der Bereich der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone rissfrei ist.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfasst: C 0,08 - 0,13% Si ≤ 0,1% Mn 0,4 - 0,6% Cr 0,8-1,0% Mo 0,1-0,5% Ni 0,1 - 0,4% und Nb 0,005 - 0,10%.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff optional mindestens eines der folgenden Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfasst: P < 0,020% S < 0,005% Ti < 0,015% und Al 0,001 - 0,05%
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff neben Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen folgende Legierungselemente in den in Gewichtsprozent angegebenen Bereichen umfasst: C 0,08 - 0,20% Si ≤ 0,4% Mn 1,2 - 2% Cr 0,05 - 0,6% Mo 0,05 - 0,5% Ni 0,1 - 0,4% Nb 0,005 - 0,050% Al 0,01 - 0,07% Ti 0,01 - 0,035% und B 0,001 - 0,004%.
Rohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Molybdängehalt weniger als 0,3% beträgt.
Gasdruckbehälter für ein Airbagsystem eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens ein Rohrelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.