DE19538386A1 - Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern für Airbag-Kaltgasgeneratoren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern für Airbag-Kaltgasgeneratoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern für Airbag-Kaltgasgeneratoren.
Alternativ zu herkömmlichen pyrotechnischen Airbag-Systemen für Personenkraftfahrzeuge mit sog. Heißgas-Generatoren wurden in den letzten Jahren auch Airbags entwickelt für Argon/Helium- oder Druckluft/Heliumbefüllsysteme mit sog. Kaltgasgeneratoren. Kaltgas-Airbags bieten gegenüber pyro­ technischen Airbags spezielle Vorteile, wie z. B. dosierte Befüllmöglichkeit, sehr kurze Ansprechzeit, keine Verlet­ zungsgefahr durch Heißgas und problemloses Recycling.
Ein wesentliches Bauelement der Kaltgas- Airbags ist der Gas-Druckbehälter, dessen Größe von der auf zunehmenden Gasmenge abhängig ist. Beispielhaft sei ein Behälter von 0,06 1 genannt, der bei einem Befülldruck von 250 bar für ein Airbagvolumen von 22,5 l Verwendung findet. Die Gas- Druckbehälter haben normalerweise Durchmesser von etwa 30-70 mm und Längen bis etwa 200 mm.
An das Material der Druckbehälter werden hauptsächlich fol­ gende Anforderungen gestellt:
  • - gute Schweißbarkeit, z. B. beim Reib-, Laser-, oder Widerstandsschweißen;
  • - hohe Berstdruckbeständigkeit von z. B. mehr als 850 bar;
  • - zähes Berstverhalten im Luft-Wasser-Berstversuch (maximal 3 Bruchstücke);
  • - Dauerfestigkeit und Dichtigkeit unter schwellender Lastwechselbeanspruchung, z. B. bis ca. 50% des Min­ destberstdrucks;
  • - hohe Zugfestigkeit von z. B. mehr als 750 N/mm²;
  • - hoher Reinheitsgrad;
  • - plastische Verformungsfähigkeit bis -50° C;
  • - Heliumdichtigkeit.
Auf konventionellem Weg werden die Behälter hergestellt aus kaltgezogenen naht losen Rohren mit angeschweißtem oder an­ gestauchtem Boden oder, ausgehend von Stabstahl, aus kaltfließgepreßten Flaschen. Als Werkstoffe finden ausschließ­ lich schweißbare, hochfeste Vergütungsstähle oder mikrole­ gierte Feinkornbaustähle Verwendung, wobei in allen Fällen die geforderten mechanischen Eigenschaften erst durch eine entsprechende Wärmebehandlung der Behälter erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Herstellungs­ verfahren der Gas-Druckbehälter für Airbag-Kaltgasgenera­ toren zu vereinfachen, und zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß als Ausgangsmaterial ein kaltgewalztes, weichgeglühtes Edelstahlband verwendet wird, aus welchem die Druckbehälter durch Tiefziehen geformt werden.
Das neue Herstellungsverfahren stellt eine grundsätzliche Abkehr von den bisher praktizierten Verfahren dar, indem nicht nur ein anderes Material verwendet wird, sondern auch eine andere Formgebung. Die geforderte Festigkeit wird in erster Linie nicht durch die Behandlung des Materials, sondern im Tiefziehverfahren erzielt. Der Vorteil des neuen Verfah­ rens besteht insbesondere darin, daß die bisher notwendige Wärmebehandlung der Druckbehälter nach der Formgebung ent­ fällt.
Ein weiterer Vorteil gegenüber den herkömmlichen Ferti­ gungsverfahren ist die verbesserte Heliumdichtigkeit. Beim Rohrwalzen und Kaltfließpressen bildet der ehemalige, mit Seigerungen und Verunreinigungen angereicherte Kern des Gußblocks infolge des Auflochvorgangs die innere Oberfläche des Druckbehälters, während bei dem vorgeschlagenen tief­ gezogenen Druckbehälter der Kern des Gußblocks in die Wand­ mitte gelangt. Die daraus resultierende höhere Qualität der inneren Oberfläche bietet eine bessere Gewähr für die über 15 Jahre geforderte Heliumdichtigkeit mit einem maximalen Druckverlust von 0,01 bar/Jahr.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung wird für die Her­ stellung der Druckbehälter ein Edelstahl verwendet, dessen Legierungsbestandteile insgesamt mehr als 1 Gew. % betra­ gen, aber die folgenden Höchstwerte in Gewichtsprozent nicht überschreiten: Kohlenstoff 0,35%, Silizium 1%, Man­ gan 1,5%, Chrom 1,5%, Molybdän 0,5%, Phosphor 0,03%, Schwefel 0,005%. In diesem Bereich erzielt man gute Ergeb­ nisse, wenn die Anteile der Legierungsbestandteile in fol­ genden Grenzen liegen: Kohlenstoff 0,20-0,30%, Mangan 0,50-0,80%, Chrom 0,80-1,30%, Molybdän 0,15-0,30%, Silizium weniger als 0,35%, Phosphor weniger als 0,025%, Schwefel weniger als 0,004%. Der Rest der Legierung be­ steht aus Eisen und den üblichen Verunreinigungen.
Optimale Ergebnisse wurden bisher erzielt mit Tiefziehtei­ len aus weichgeglühtem Kaltband in Werkstoff 26CrMo4mod., wenn die Legierungsbestandteile eingegrenzt wurden auf Koh­ lenstoff 0,24-0,28%, Mangan 0,60 bis 0,70%, Chrom 0,90-1,10%, Molybdän 0,18-0,25%, Silizium weniger als 0,3 %, Phosphor weniger als 0,02% und Schwefel weniger als 0,003%.
Aufgrund des niedrigen Legierungsgehaltes (Kohlenstoff­ äquivalent) ist die Schweißbarkeit der genannten Stähle bei den in Frage kommenden Schweißverfahren gewährleistet. Ihr hoher Reinheitsgrad, ausgedrückt durch KI-Werte nach DIN 50 602 kleiner 10, wird durch die Elektrostahlerzeugung mit sekundärmetallurgischer Kalziumdrahtbehandlung und Vakuum­ tiefentschwefelung erreicht. In Verbindung mit der durch das Kaltwalzverfahren erzielten hohen Oberflächenver­ dichtung ist die erforderliche Heliumgasdichtigkeit gewähr­ leistet. Aufgrund der sehr niedrigen Festigkeit des nach dem Kaltwalzen weich geglühten Bandstahls wird die hier er­ forderliche extreme Tiefziehoperation bei Bandstärken von 1,0 bis 3,0 mm ermöglicht, die ihrerseits dem Behälter seine hohe Festigkeit und gleichzeitig sehr gute Zähig­ keitseigenschaften für eine hohe Bruchsicherheit gibt. Als Folge der Tiefziehtextur wird ein definiertes, unkritisches Berstverhalten in Längsrichtung nach Überschreiten des Berstdruckes erreicht.
Zur Veranschaulichung der Erfindung zeigt die beiliegende Zeichnung in Form einer Prinzipskizze eine Kaltgas-Airbag- Einheit, wobei der eigentliche Airbag mit 10 und der Kalt­ gas-Generator mit 12 bezeichnet sind. Letzterer besteht aus einem verhältnismäßig langen, schlanken, zylindrischen Druckbehälter 14 mit einstückig angeformtem, kugelschalen­ förmig gewölbten Boden, sowie einem an den Behälter ange­ schweißten, für sich bekannten Steuerelement 16.
Die Herstellung des Druckbehälters 14 geschieht in folgen­ den Verfahrensschritten:
  • 1. Der ausgewählte Stahl, z. B. 26CrMo4mod. wird in hoch­ reiner Qualität vorzugsweise im Elektroschmelzofen erschmolzen.
  • 2. Aus dem Gußblock wird durch Walzen ein Warmband mit ge­ ring ausgeprägter Gefügezeiligkeit, d. h. gleichmäßiger Karbidverteilung, hergestellt. Die Dicke beträgt etwa 30% mehr als die Wandstärke des herzustellenden Druck­ behälters. Beispielhafte Maße sind eine Dicke von 3 mm und eine Breite von 250 mm.
  • 3. Das abgehaspelte Warmband wird durch Beizen entzundert.
  • 4. Anschließend wird das Warmband-Coil bei einer Tempera­ tur im Bereich des Ac₁ Umwandlungspunkts, also z. B. bei etwa 750° C, während einer Dauer von ca. 15 Stunden weichgeglüht, um ein 100% ferritisches Gefüge mit glo­ bularen Karbiden zu erhalten.
  • 5. Das Band wird nachfolgend kaltgewalzt, wobei sich seine Dicke um ca. 25% verringert auf z. B. 2 bis 2,2 mm.
  • 6. Es folgt ein sog. GKZ-Glühen (Glühen auf globularen Ze­ mentit) des Kaltbandes unter Schutzgas.
  • 7. Aus dem, wie vorstehend beschrieben, gewonnenen Edel­ stahlband werden die Druckbehälter auf Mehrstufenpres­ sen auf Zeichnungsmaß tiefgezogen.
Die Überprüfung von auf diese Weise hergestellten Druckbe­ hältern ergab folgende Eigenschaften:
Zugfestigkeit: < 800 N/mm²
Streckgrenze: < 740 N/mm²
Dehnung: < 11 A%
Kerbschlagzähigkeit ISO-V: < 96 J/cm² bei -50° C (zäher Bruch)
180° Biegeversuch mit Biegeproben aus Behältern bei 12 mm Dorndurchmesser: ohne Risse bis -50° C
180° Biegeversuch am Behäl­ ter, 6 mm Dorndurchmesser: ohne Risse bis -50° C
Wasser-Berstversuche: Berstdruck < 920 bar
Luft-Wasser-Berstversuche: Berstdruck < 960 bar, plastisches Berstverhalten, Aufreißung in Längsrich­ tung, 1 Bruchstück
Lastwechselversuch nach DIN 20024, 43-430 bar, 12.000 Lastwechsel, 5 Lastwechsel/Minute: keine Undichtigkeiten.
Die vorstehenden Untersuchungsergebnisse zeigen, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltem Gas- Druckbehälter die gestellten Anforderungen mit beruhigenden Sicherheitsreserven erfüllen. Im Vergleich zu herkömmlichen Druckbehältern mit angeschweißtem oder angestauchten Boden ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit aus der Vermeidung der Fügestelle am Boden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern für Air­ bag-Kaltgas-Generatoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein kaltgewalztes, weichgeglühtes Edelstahlband verwendet wird, aus welchem die Druckbe­ hälter durch Tiefziehen geformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefziehen die letzte Materialbehandlung im Her­ stellungsprozeß der Druckbehälter ist.
3. Verfahren nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stahl durch das Tiefziehen auf eine Zugfe­ stigkeit von mehr als 700 N/mm² verfestigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein Edelstahl verwendet wird, dessen neben Eisen vorhandene Legie­ rungsbestandteile insgesamt mehr als 1 Gew. % betragen, aber die folgenden Höchstwerte in Gewichtsprozent nicht überschreiten: Kohlenstoff 0,35%, Silizium 1%, Mangan 1,5%, Chrom 1,5%, Molybdän 0,5%, Phosphor 0,03%, Schwefel 0,005%.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile in folgenden Grenzen liegen:
Kohlenstoff 0,20-0,30%, Mangan 0,50-0,80%, Chrom 0,80-1,30%, Molybdän 0,15-0,30%, Silizium weniger als 0,35%, Phosphor weniger als 0,025%, Schwefel 0,004%.
6. Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile in folgenden Grenzen liegen:
Kohlenstoff 0,24-0,28%, Mangan 0,60-0,70%, Chrom 0,90-1,10%, Molybdän 0,18-0,25%, Silizium weniger als 0,3%, Phosphor weniger als 0,02%, Schwefel wen­ iger als 0,003%.
DE1995138386 1995-10-14 1995-10-14 Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern für Airbag-Kaltgasgeneratoren Withdrawn DE19538386A1 (de)

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