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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verhüttungsprodukt und dessen Herstellungsverfahren, insbesondere ein nahtloses Stahlrohr sowie dessen Herstellungsverfahren.
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Technischer Hintergrund
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Mit dem drastischen Anstieg des Fahrzeugbestands kommen Verkehrsstau und somit auch Verkehrsunfälle immer häufiger vor, so dass die Sicherheitsleistung eines Fahrzeugs an besonderer Bedeutung gewinnt. Bei einem Auffahrunfall kann ein Auto-Airbag den Personenschaden verringern und eine zweite Kollision oder ein Herausschleudern der Fahrgäste oder des Fahrers aus ihren Fahrzeugsitzen beim Schleudern des Fahrzeugs oder im Falle einer anderen gefährlichen Situation verhindern. In der Regel ist der Auto-Airbag vorne im Fahrzeuginnenraum (am Fahrer- bzw. Beifahrersitz) angeordnet, wobei zum besseren Schutz der Sicherheit für Fahrer neben am Fahrer- bzw. Beifahrersitz angeordneten Airbags auch an beiden Seiten (Vorder- und Rücksitzen) und an der Innenraumdecke Airbags angebracht sind. Somit wird die Anzahl der bei Airbags einzelnen Fahrzeugs eingesetzten Stahlrohre auch entsprechend gesteigert, wobei zum Erhöhen der Sicherheitsleistung eines Fahrzeugs auch die Qualität der bei Airbags verwendeten Stahlrohre verbessert werden muss, so dass ein Stahlrohr ein hohes Stärke-Zähigkeit-Produkt und eine geringe Wanddicke aufweisen muss, um den Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit, des Leichtbaus und geringer Kosten für Fahrzeuge gerecht zu werden.
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Ein Auto-Airbag arbeitet nach dem Prinzip, dass bei einer erkannten Geschwindigkeitsänderung, die durch eine Kollision hervorgerufen wird, ein mit Explosivstoff beladener Gasgenerator in Abhängigkeit eines Signalbefehls einen Entzündungsvorgang ausführt, um Festtreibstoff zu entzünden und somit ein Gas zu erzeugen, mit welchem Gas der Airbag gefüllt und eine schnelle Ausdehnung des Airbags bewirkt wird, wodurch die infolge einer Kollision verursachte Stoßwirkung für Personen verringert wird. Bei der Herstellung eines Gasgenerators für Airbags werden in der Regel nahtlose Stahlrohre mit hoher Berstfestigkeit, großem Stärke-Zähigkeit-Produkt und starker Schlagzähigkeit bei niedriger Temperatur erfordert.
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Die am 9. Oktober 2002 offenbarte japanische Patentschrift mit dem Titel „Stahl für einen Airbag mit guter Schweißbarkeit und Formbarkeit sowie hoher Maßgenauigkeit, Zugfestigkeit und Berstfestigkeit und dessen Herstellungsverfahren” und der Veröffentlichungsnummer
JP2002-294339 betrifft ein Stahlwerkstoff für einen Airbag sowie dessen Herstellungsverfahren. Ein derartiges Stahlwerkstoff besteht aus folgenden chemischen Elementen (in Gew.-%): C: 0,05%–0,20%, Si: 0,1%–1,0%, Mn: 0,20%–2,0%, P < 0,025%, S < 0,010%, Cr: 0,05%–1,0%, Al < 0,10%, Mo < 0,50%, Ni < 1,5%, Cu < 0,5%, V < 0,2%, Ti < 0,1%, Nb < 0,1%, B < 0,005%, wobei der übrige Anteil aus Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht. Bei dem Herstellungsverfahren nach dieser japanischen Patentschrift erfolgen ein Abschreckvorgang bei der Ac1-Phasenübergangstemperatur (oder einer höheren Temperatur) und dann ein Anlassvorgang bei der Ac1-Phasenübergangstemperatur.
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Die am 4. Januar 2012 offenbarte chinesische Patentschrift mit dem Titel „Stahlrohr für ein Airbagsystem sowie dessen Herstellungsverfahren” und der Veröffentlichungsnummer
CN102304613A offenbart ein nahtloses Stahlrohr für einen Airbag sowie dessen Herstellungsverfahren. Dabei besteht ein derartiges Stahlrohr aus folgenden chemischen Elementen (in Gew.-%): C: ≤ 0,12%, Mn: 1,00%–1,40%, S: ≤ 0,01%, P: ≤ 0,015%, Si: 0,15%–0,35%, Ni: ≤ 0,25%, Cr: 0,40%–0,80%, Mo: 0,30%–0,60%, V: ≤ 0,07%, Cu: ≤ 0,35%, Al: 0,15%–0,05%, Ne: ≤ 0,05%, Ti: ≤ 0,05%, Sn: ≤ 0,05%, Sb: ≤ 0,05%, As: ≤ 0,05%, Pb: ≤ 0,05%, wobei die Summe der Elemente Sn, Sb, As und Pb ≤ 0,15% und der übrige Antei aus Fe besteht. Zudem offenbart diese chinesische Patentschrift ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Stahlrohres.
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Bei dem von den beiden Patentschriften offenbarten Verfahren zum Herstellung eines Stahlwerkstoffs oder nahtlosen Stahlrohres muss eine thermische Behandlungskombination von Abschrecken und Anlassen für das entsprechende Stahlwerkstoff oder nahtlose Stahlrohr erfolgen, um eine hohe Zugfestigkeit zu erreichen.
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Die am 9. September 2009 offenbarte chinesische Patentschrift mit dem Titel „Nahtloses Stahlrohr für den Druckspeicher eines Airbags sowie dessen Herstellungsverfahren” und der Veröffentlichungsnummer
CN101528964A offenbart ein nahtloses Stahlrohr sowie dessen Herstellungsverfahren. Ein derartiges nahtloses Stahlrohr besteht aus folgenden chemischen Elementen (in Gew.-%): C: 0,08%–0,20%, Si: 0,1%–1,0%, Mn: 0,6%–2.0%, P: ≤ 0,025%, S: ≤ 0,010%, Cr: 0,05%–1,0%, Mo: 0,05–1,0%, Al: 0,002–0,10% sowie mindestens eines der Elemente Ca: 0,0003%–0,01%, Mg: 0,0003%–0,01% und REM (Seltenerdmetalle): 0,0003%–0,01% und mindestens eines der Elemente Ti: 0,002%–0,1% und Nb: 0,002%–0,1%, wobei der anhand der folgenden Formel (1) definierte Wert CEQ zwischen 0,45 und 0,63 liegt: CEQ = C + Si/24 + Mn/6 + (Cr + Mo)/5 +(Ni + Cu)/15 (1).
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Bei der oben beschriebenen chinesischen Patentschrift wird die Aufgabe hoher Stärke und hoher Zähigkeit durch die thermischen Behandlungen Normalisieerung und Anlassen erfüllt, wobei jedoch die chemischen Bestandteile eines derartigen nahtlosen Stahlrohres Ca, Mg und Seltenerdelemente umfassen, wodurch die Herstellungskosten eines Stahlrohres erhöht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein nahtloses Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag, welches eine hohe Stärke sowie ein großes Stärke-Zähigkeit-Produkt, eine gute Zähigkeit und Berstfestigkeit bei niedriger Temperatur, eine hohe Dehnrate, eine große Schlagdämfungsenergie bei niedriger Temperatur, eine geringe Wanddicke und eine gute Maßgenauigkeit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein nahtloses Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag, welches sich aus folgenden chemischen Elementen mit Angabe der Massenanteile in Prozent zusammensetzt:
C: 0,05%–0,15%;
Si: 0,1%–0,45%;
Mn: 1,0%–1,9%;
Ni: 0,1%–0,6%;
Cr: 0,05%–1,0%;
Mo: 0,05%–0,2%;
Cu: 0,05%–0,50%;
Al: 0,015%–0,060%;
Nb: 0,02%–0,1%;
V: 0,02%–0,15%;
wobei der übrige Anteil aus Fe sowie anderen unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
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In der vorliegenden technischen Ausgestaltung handelt es sich bei den unvermeidlichen Verunreinigungen vor allem um die Elemente P und S, wobei S möglichst unter 0,015% und P unter 0,025% gesteuert werden sollen.
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Die Konstruktion der chemischen Elemente in dem erfindungsgemäßen nahtlosen Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag erfolgt nach dem folgenden Prinzip:
C: Als eines der wichtigen Elemente zum Erhöhen der Stärke des Stahls kann C die durch Bildung eines Karbids die Stärke des Stahls effektiv erhöhen und benötigt dabei geringe Zugabenkosten. Bei einem C-Anteil von geringer als 0,05 Gew.-% kann das nahtlose Stahlrohr eine Zugfestigkeit von über 850 MPa nicht erreichen, wobei jedoch bei einem C-Anteil von höher als 0,15 Gew.-% die Zähigkeit, die Schlagleistung bei niedriger Temperatur, die Berstleistung bei niedriger Temperatur, die Schweißleistung und andere umfassende Leistungsmerkmale des nahtlosen Stahlrohres beeinträchtigt werden. Daher soll bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung der Anteil des Elements C zwischen 0,05 Gew.-% und 0,15 Gew.-% gesteuert werden.
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Si: Als Reduktionsmittel und Desoxidationsmittel bei Stahlerzeugung weist das Element Si ohne Bildung eines Karbids eine gute Lösbarkeit im Stahl auf und kann Ferrite im Stahl verstärken, um die Stärke des Stahls zu erhöhen. Bei einem Si-Anteil von über 0,45 Gew.-% werden jedoch die Zähigkeit des Stahlrohres, insbesondere die Schlagzähigkeit des Stahlrohres bei niedriger Temperatur wesentlich verringert und gleichzeitig auch die Schweißleistung des Stahlrohres reduziert. Deshalb soll der Si-Anteil zwischen 0,10 Gew.-% und 0,45 Gew.-% gesteuert werden.
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Mn: Als ein wichtiges Legierungselement und ein schwacher Karbidbildner erhöht Mn die Stärke des Stahls vor allem durch Verstärken über Lösungsglühen. Durch Steigern des Mn-Anteils lassen sich die Phasenübergangstemperatur des Stahls verringern und die kritische Abkühlgeschwindigkeit für Abschrecken reduzieren, wobei bei einem Mn-Anteil von höher als 1,0 Gew.-% die Härtbarkeit des Stahls wesentlich erhöht wird, während bei einem Mn-Anteil von über 1,9 Gew.-% die Schlagzähigkeit des Stahls einen erheblichen Rückgang erfährt. Aus diesem Grund wird der Mn-Anteil bei der vorliegenden technischen Ausgestaltung auf 1,0 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% eingestellt.
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Ni: Das Element Ni kann sowohl die Stärke bzw. Härtbarkeit des Stahls als auch die Zähigkeit des Stahls steigern. Unter Berücksichtigung der Kosten wird bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung der Ni-Anteil zwischen 0,1 Gew.-% und 0,6 Gew.-% gesteuert, so dass durch Zusammenwirkung mit anderen Elementen eine ideale Verstärkung und eine erhöhte Zähigkeit des Stahls verwirklicht werden können.
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Cr: Cr stellt einen mittelstarken Karbidbildner dar. Ein Teil des Elements Cr im Stahl wird durch Eisen ersetzt, wodurch ein Legierungszementit gebildet wird, um seine Stabilität zu erhöhen, während der andere Teil im Ferrit gelöst ist und zum Verstärken über Lösungsglühen dient, was zum Steigern der Stärke und Härte des Ferrits beiträgt. Zudem gilt Cr auch als ein wichtiges Element zum Erhöhen der Härtbarkeit des Stahls. Bei einem Cr-Anteil von höher als 1,0 Gew.-% wird jedoch die Zähigkeit der Schweißstellen beeinträchtigt und unter Berücksichtigung der Zugabenkosten wird bei der vorliegenden Erfindung der Cr-Anteil im nahtlosen Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag zwischen 0,05 Gew.-% und 1.0 Gew.-% gesteuert.
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Mo: Mo kann zum Verstärken über Lösungsglühen im Stahl und Erhöhen der Härtbarkeit des Stahls dienen. Erst beim Erreichen eines Anteils von 0,05 Gew.-% weist Mo eine wesentliche Wirkung zum Verstärken über Lösungsglühen und Erhöhen der Härtbarkeit auf, während die Zähigkeit der Schweißstellen am Stahlrohr beeinträchtigt wird, wenn der Mo-Anteil über einen bestimmten Bereich hinausgeht. Unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Kosten wird der Mo-Anteil im nahtlosen Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag nach der vorliegenden Erfindung zwischen 0,05 Gew.-% und 0,2 Gew.-% gesteuert.
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Cu: Cu kann die Zähigkeit des Stahls auch bei einem geringen Anteil verstärken, wobei bei einem Cu-Anteil von über 0,50 Gew.-% die thermische Bearbeitbarkeit des Stahls erheblich beeinträchtigt wird, so dass auch bei Zugabe eines Verbundelements die thermische Bearbeitbarkeit des Stahlrohres nicht gewährleistet werden könnte, weshalb bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung der Cu-Anteil zwischen 0,05 Gew.-% und 0,50 Gew.-% gesteuert werden soll.
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Al: Al kann zum Desoxidieren im Stahl dienen und trägt somit zum Erhöhen der Zähigkeit und Bearbeitbarkeit des Stahls bei. Bei einem Al-Anteil von 0,015 Gew.-% und höher weist dies eine wesentliche Wirkung zum Erhöhen der Zähigkeit und Bearbeitbarkeit des Stahls auf, während bei einem Al-Anteil von über 0,060 Gew.-% die Neigung zur Rissbildung im Stahl gesteigert wird. Daher wird bei der vorliegenden Erfindung der Al-Anteil zwischen 0,015 Gew.-% und 0,060 Gew.-% gesteuert.
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Nb: Nb dient zum Erhöhen der Zähigkeit des Stahls. Bei einem Nb-Anteil von ≥ 0,02 Gew.-% die Wirkung der Zugabe offensichtlich ist, während bei einem Nb-Anteil von über 0,1 Gew.-% die Zähigkeit des Stahls hingegen verringert wird. Aus diesem Grund soll bei der erfindungsgemäßen technischen Ausgestaltung der Nb-Anteil auf 0,02 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% eingestellt werden.
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V: Als ein starker Karbidbildner weist V eine starke Bindungsfähigkeit mit Kohlenstoff auf und bildet damit feine, dispergierte VC-Partikeln, die zum Verstärken über Dispersion dienen können und zu einer wesentlich erhöhten Stärke des Stahls beitragen. Bei einem V-Anteil von geringer als 0,02 Gew.-% wird keine offensichtliche Verstärkungswirkung über Dispersion erzielt, während bei einem V-Anteil von über 0,15 Gew.-% die Bearbeitbarkeit des Stahls beeinträchtigt wird, weshalb der V-Anteil im Stahl zwischen 0,02 Gew.-% und 0,15 Gew.-% gesteuert wird.
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Das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag enthält keine additiven Elemente hoher Kosten, wie z. B. Ca, Mg oder Seltenerdelemente weist durch optimierte Konstruktion der chemischen Bestandteile in Kombination mit angemessenem Herstellungsprozess eine hohe Stärke, ein großes Stärke-Zähigkeit-Produkt, eine gute Zähigkeit bei niedriger Temperatur, eine ausgezeichnete Berstleistung bei niedriger Temperatur zusätzlich zu einer großen Dehnrate und Schlagdämpfungsenergie bei niedriger Temperatur auf.
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Ferner ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag ferner das Element B in einer Menge von ≤ 0,005 Gew.-% umfasst.
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Durch Zugabe einer winzigen Menge von B lassen sich schon die Härtbarkeit des Stahls wesentlich erhöhen und die Prozessfähigkeit und mechanische Leistungsfähigkeit des Stahls verbessern, weshalb eine angemessen Menge von B in dem erfindungsgemäßen nahtlosen Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag zugegeben und der B-Anteil ≤ 0,005 Gew.-% gesteuert wird.
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Ferner ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag eine Wanddicke von ≥ 1,5 mm hat.
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Ferner ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag einen Außendurchmesser von 15–50 mm hat.
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Ferner ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag als Mikrostruktur einen Ferrit und einen unteren Bainit aufweist.
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Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung eine weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines bisher beschriebenen nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag bereitzustellen, welches folgende Schritte umfasst:
- (1) Erwärmen und dann Durchwärmen eines Rohrrohlings,
- (2) thermisches Durchbohren und natürliches Abkühlen nach Reduzieren des Durchmessers und der Wanddicke des Rohrrohlings mittels eines Streckreduzierwalzwerks,
- (3) Ausglühen, Beizen, Phosphatierung und Verseifung,
- (4) Kaltbearbeitung bis zum Fertigmaß,
- (5) Spannungsarmglühen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag werden die thermischen Behandlungen Abschrecken und Anlassen nicht eingesetzt und stattdessen wird ein nahtloses Stahlrohr mit hoher Stärke, großem Stärke-Zähigkeit-Produkt und guter Zähigkeit bei niedriger Temperatur und Berstfestigkeit bei niedriger Temperatur durch eine einfache und kostengünstige thermische Behandlung, also Spannungsarmglühen erzielt, was nicht nur die Prozesschritte des Verfahrens zum Herstellen des nahtlosen Stahlrohres vereinfacht, sondern auch eine Nichterfüllung der Anforderung an hohe Maßgenauigkeit des Auto-Airbags infolge einer großen Verformung des nahtlosen Stahlrohres bei einem Abschreckvorgang vermeidet. Mit der thermischen Behandlung Spannungsarmglühen lassen sich sowohl die Zugfestigkeit als auch die Plastizität und Stärke bzw. Zähigkeit des Stahlrohres sicherstellen.
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Ferner ist vorgesehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag im Schritt (1) der Rohrrohling auf 1220 ☐ bis 1260 ☐ erwärmt und für 10 bis 20 min durchgewärmt wird.
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Ferner ist vorgesehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag im Schritt (4) die Kaltbearbeitung durch Kaltziehen oder Kaltwalzen erfolgt.
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Die Kaltbearbeitung des Stahlrohres bis zum vorgegebenen Fertigmaß durch Kaltziehen oder Kaltwalzen zielt darauf ab, die im Zuge der Kaltbearbeitung entstehende Spannung zu verringern.
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Ferner ist vorgesehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag im Schritt (4) der Ausdehnungskoeffizient bei jeder Kaltbearbeitung ≤ 1,5 ist, um die Produktionseffizienz des Stahlrohres sicherzustellen und gleichzeitig auch eine Rissbildung am Stahlrohr sowie andere Mängel nach Kaltbearbeitung zu vermeiden.
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Noch ferner ist vorgesehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag im Schritt (4) der Ausdehnungskoeffizient bei der letzten Kaltbearbeitung ≥ 1,4 ist, um die durch Kaltbearbeitung verstärke Stärke des Stahlrohres vor der abschließenden thermischen Behandlung zu gewährleisten.
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Noch ferner ist vorgesehen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag im Schritt (5) die Spannungsarmglühtemperatur zwischen 680 ☐ und 780 ☐ und die Warmhaltezeit zwischen 10 min und 20 min liegt.
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Eine übermäßige Erwärmungstemperatur beim Spannungsarmglühen oder eine zu lange Warmhaltezeit führt zu groben Kristallkörnern im fertigen Stahlrohr, so dass das Stahlrohr hinsichtlich seiner Stärke und Härte der Verwendungsanforderung nicht gerecht werden kann. Hingegen führt eine zu niedrige Erwärmungstemperatur dazu, dass ein ausreichendes Lösungsglühen des abgeschiedenen Karbids nicht möglich ist und die Aufgabe einer Verstärkung nicht erfüllt wird. Daher wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag die Spannungsarmglühtemperatur auf 680 ☐ bis 780 ☐ und die Warmhaltezeit auf 10 min bis 20 min eingestellt wird, um ein Abscheiden des Karbids im Stahl innerhalb einer kurzen Zeit zu bewirken und eine Verstärkung über Lösungsglühen zu ermöglichen, was gleichzeitig auch zum Verhindern der Vergrößerung von Kristallkörnern und zum Erhöhen der Stärke und Zähigkeit des Stahls beiträgt, so dass die Leistung des nahtlosen Stahlrohres schließlich der Verwendungsanforderung an Stahl für Auto-Airbags gerecht werden kann.
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Mit der vorstehend beschriebenen technischen Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag eine hohe Stärke, ein großes Stärke-Zähigkeit-Produkt, eine gute Zähigkeit und Berstleistung bei niedriger Temperatur, eine große Dehnrate und Schlagdämpfungsenergie bei niedriger Temperatur auf, wobei es eine Zugfestigkeit von ≥ 850 Mpa, eine Schlagdämpfungsenergie bei niedriger Temperatur von ≥ 15 J und eine Dehnrate von ≥ l8% hat.
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Zudem zeichnet sich das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag durch geringe Wanddicke, leichtes Gewicht und hohe Maßgenauigkeit aus und kann somit die Verwendungsanforderung für Leichtbau der Fahrzeuge erfüllen.
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Darüber hinaus verzichtet das erfindungsgemäße nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag auf die Zugabe teurer Metallelemente und zeichnet sich somit durch geringe Kosten aus.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag kann ein nahtloses Stahlrohr mit hoher Zugfestigkeit, großes Stärke-Zähigkeit-Produkt, gute Zähigkeit bei niedriger Temperatur, ausgezeichnete Berstleistung bei niedriger Temperatur, große Dehnrate und gute Schlagdämpfungsenergie bei niedriger Temperatur hergestellt werden.
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Zudem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohres mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag durch Steuern des Ausdehnungskoeffizients bei jeder Kaltbearbeitung nicht nur die Produktionseffizienz der Stahlrohrherstellung gewährleistet, sondern auch eine Rissbildung am Stahlrohr effektiv ausgeschlossen.
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Beste Ausführungsformen
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Nachfolgend wird anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher auf das nahtlose Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag sowie dessen Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung eingegangen, wobei solche konkrete Ausführungsbeispiele sowie einschlägige Beschreibung keine unangemessene Einschränkung der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen darstellen.
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Ausführungsbeispiele A1 bis A10 und Vergleichsbeispiele B1 bis B6:
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Nahtlose Stahlrohre mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag A1 bis A10 nach der vorliegenden Erfindung sowie Stahlrohre bei Vergleichsbeispielen B1 bis B6 werden nach den folgenden Schritten hergestellt:
- (1) Verhütten und Herstellen eines Rohrrohlings, wobei die Massenanteile der chemischen Elemente im Stahl aus Tabelle 1 zu entnehmen sind,
- (2) Erwärmen des Rohrrohlings auf 1220 ☐ bis 1260 ☐ und Durchwärmen für 10 bis 20 min mittels eines Ringofens,
- (3) thermisches Durchbohren mittels eines kegelförmigen thermischen Standbohrers und natürliches Abkühlen nach Reduzieren des Durchmessers und der Wanddicke des Rohrrohlings mittels eines Streckreduzierwalzwerks mit drei Rollen,
- (4) Phosphatierung und Verseifung nach einem Beizvorgang und einer anschließenden thermischen Behandlung in Form eines Zwischenausglühens,
- (5) Kaltbearbeitung durch Kaltziehen oder Kaltwalzen bis zum Fertigmaß, wobei der Ausdehnungskoeffizient bei jeder Kaltbearbeitung ≤ 1,5 ist, der Ausdehnungskoeffzient bei der letzten Kaltbearbeitung zwischen 1,4 und 1,5 liegt und das fertige Stahlrohr nach Kaltbearbeitung eine Wanddicke von 1,5 mm bis 5 mm und einen Außendurchmesser von 15 mm bis 50 mm hat,
- (6) Spannungsarmglühen bei einer Spannungsarmglühtemperatur zwischen 680 ☐ und 780 ☐ und Luftabkühlung nach einer Warmhaltezeit zwischen 10 min und 20 min.
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Dabei ist darauf hinzuweisen, dass vor dem Schritt (5) eine angemessene thermische Zwischenbehandlung erfolgen kann, um die Kaltbearbeitbarkeit des Stahlrohres ferner zu gewährleisten.
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Tabelle 1 gibt die Massenanteile der einzelnen chemischen Elemente in den Ausführungsbeispielen A1 bis A10 und den Vergleichsbeispielen B1 bis B6 an. Tabelle 1 (in Gew.-%, mit dem übrigen Anteil aus Fe sowie anderen unvermeidlichen Verunreinigungen)
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In Tabelle 2 sind die jeweiligen Prozessparameter in den Ausführungsbeispielen A1 bis A10 und den Vergleichsbeispielen B1 bis B5 aufgeführt. Tabelle 2
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Eine bogenförmige Probe mit einer Größe von 2 mm·10 mm·55 mm wird jeweils den nahtlosen Stahlrohren in den vorstehenden Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen entlang der Richtung der Wanddicke der Stahlrohre entnommen, wobei an der Mantelfläche der Probe eine V-förmige Aussparung mit einer Tiefe von 2 mm angefertigt wird, wonach eine Schlagerprobung bei –60 ☐ erfolgt und die jeweiligen Schlagenergienwerte in Tabelle 3 angegeben sind.
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Als konkrete Bewertungskriterien werden folgende Anforderungen verwendet, um festzustellen, ob die jeweiligen nahtlosen Stahlrohre in den Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen ausreichend abschneiden: 1) die Zugfestigkeit > 850 MPa, 2) die Schlagdämpfungsenergie > 15 J bei –60 ☐, und 3) Bruch infolge eines Berstens bei –60 ☐ in Form eines duktilen Bruchs vorkommt, wobei das nahtlose Stahlrohr als ausreichend gilt, wenn dies gleichzeitig die Kriterien 1) bis 3) erfüllt, während ansonsten dies als nicht ausreichend gilt. Die erhaltenen umfassenden mechanischen Leistungsparameter in den Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen sind der Tabelle 3 zu entnehmen. Tabelle 3
| Nr. | Zugfestigkeit
(MPa) | Dehnrate
(%) | Schlagdämpfungsenergie
bei –60 ☐ (J) | Stärke-Zähigkeit-Produkt*
(MPa·J) | Flüssigkeitsberstleistung** | Ausreichend |
| A1 | 860 | 18 | 17 | 14620 | 1 | Ja |
| A2 | 880 | 18 | 17 | 14960 | 1 | Ja |
| A3 | 870 | 19 | 17 | 14790 | 1 | Ja |
| A4 | 855 | 18 | 19 | 16245 | 1 | Ja |
| A5 | 860 | 20 | 18 | 15480 | 1 | Ja |
| A6 | 900 | 19 | 19 | 17100 | 1 | Ja |
| A7 | 870 | 19 | 21 | 18270 | 1 | Ja |
| A8 | 860 | 19 | 20 | 17200 | 1 | Ja |
| A9 | 855 | 19 | 20 | 17100 | 1 | Ja |
| A10 | 870 | 20 | 18 | 15660 | 1 | Ja |
| B1 | 750 | 12 | 18 | 13500 | 1 | Nein |
| B2 | 720 | 22 | 18 | 12960 | 1 | Nein |
| B3 | 900 | 12 | 12 | 10800 | 2 | Nein |
| B4 | 780 | 20 | 17 | 13260 | 1 | Nein |
| B5 | 790 | 20 | 17 | 13430 | 1 | Nein |
| B6 | 780 | 16 | 16 | 12480 | 1 | Nein |
* Bei dem Stärke-Zähigkeit-Produkt handelt es sich um das Produkt der Zugfestigkeit und der Schlagenergie.
* In der Spalte Flüssigkeitsberstleistung stehen 1 für einen duktilen Bruch im Falle eines Flüssigkeitsberstens bei –60 ☐, wobei kein Riss sich bis zu einer Stirnfläche erstreckt, und 2 für Vorhandensein eine spröden Bruchs im Falle eines Flüssigkeitsberstens bei –60 ☐, wobei ein oder mehrere Risse sich bis zu einer Stirnfläche erstrecken.
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Wie sich aus Tabelle 1, 2 und 3 ergibt, entsprechen die jeweiligen nahtlosen Stahlhore in Ausführungsbeispielen A1 bis A10 den in den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen vorgegebenen Massenanteile ihrer chemischen Elemente und ihre Herstellung erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren. Alle der nahtlosen Stahlrohre mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag nach Ausführungsbeispielen A1 bis A10 haben eine Zugfestigkeit von ≥ 855 Mpa, eine Dehnrate von ≥ 18% und ein Stärke-Zähigkeit-Produkt von ≥ 14620 MPa·J. Zudem weist das Stahlrohr mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag eine minimale Schlagdämpfungsenergie von 17 J bei –60 ☐, wobei nach einem Flüssigkeitsbersten bei –60 ☐ ein duktiler Bruch vorkommt und kein Riss sich bis zu einer Stirnfläche des Stahlrohres erstreckt. Hingegen entspricht mindestens ein Merkmal der umfassenden mechanischen Leistungen bei den nahtlosen Stahlrohren in Vergleichsbeispielen B1 bis B6 nicht den Kriterien für nahtlose Stahlrohre mit hoher Stärke und Zähigkeit für einen Auto-Airbag, da die Massenanteile mancher chemischer Elemente bereits über den in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung definierten Bereich hinausgehen oder ihre Herstellung nicht nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erfolgt.
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Wie aus den in den vorstehenden Tabellen angegebenen Inhalten zu entnehmen ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung durch angemessene Bestandteilkonstruktion, durchdachte Kaltbearbeitungsprozesse und optimierte thermische Behandlung ein nahtloses Stahlrohr mit guter Schlagleistung bei niedriger Temperatur und guter Dehnrate. Ein derartiges nahtloses Stahlrohr findet Anwendung insbesondere bei der Herstellung eines Auto-Airbags.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass bisher lediglich konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung angegeben wurden, wobei solche Ausführungsbeispiele die Erfindung keineswegs einschränken und zahlreiche ähnliche Abänderungen möglich sind. Alle von Fachleuten auf diesem Gebiet vorgenommenen Varianten, die unmittelbar von dem offenbarten Inhalt der Erfindung abgeleitet werden oder darauf basieren, sollen von dem Schutzumfang der Erfindung umfasst werden.
