DE19947719A1

DE19947719A1 - Wärmebehandelte Karosserie - "body-in-blue"

Info

Publication number: DE19947719A1
Application number: DE1999147719
Authority: DE
Inventors: Konrad Eipper; Wolfgang Fussnegger; Micaela Tourrucoo; Klaus Lempenauer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein neues Konzept einer wärmebehandelten Fahrzeugkarosserie ("body-in-blue") und deren Herstellung. Durch die Prozeßfolge der Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen 400 bis 900 DEG C entsteht eine vollständige Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe mit gezielt eingestellten Eigenschaften bzw. einer optimalen Balance der wichtigsten Eigenschaften wie Festigkeit, Energieabsorptionsvermögen, Ermüdungsfestigkeit und Beulsteifigkeit bei möglischt niedrigem Gewicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 sowie auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Um dem Anforderungsprofil der Automobilindustrie entsprechen zu können, wurden in den letzten Jahren neue Stähle entwickelt. Dabei stand vor allem der Automobilleicht bau im Vordergrund. Das Gewicht der Fahrzeuge wurde in vielen Fällen durch Dicken reduzierung der Blechstärke verringert. Der Einsatz höherfester Stähle mit gutem Umformeigenschaften ermöglichte dabei die gewünschte Gewichtseinsparung. Neueste Entwicklungen auf diesem Gebiet sind die Mehrphasenstähle; sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit bei ausreichend guten Umformeigenschaften aus. Sie bieten noch effektivere Lösungen für den Leichtbau und für die Insassensicherheit im Fahrzeug. Weitere Möglichkeiten für den Fahrzeug-Leichtbau liegen in der Optimierung der Verbindungstechniken. Durch linienförmige Verbindungen, wie beispielsweise das Laserschweißen, oder mechanische Fügeverfahren, wie beispielsweise das Stanznieten oder Durchsetzfügen, lassen sich gerade bei höherfesten Stählen Vorteile bei der Ermüdungsfestigkeit erzielen.

Eine Rohkarosserie ist mit etwa 25 bis 30% des Gesamtgewichtes eines Fahrzeuges die vom Gewicht und vom Volumen her größte Fahrzeugkomponente. Für sie werden auf grund ihrer Anpassungsfähigkeit und Kosten heute noch bevorzugt Stahlwerkstoffe ein gesetzt. Als Folge neuer Formen im Karosseriebau sowie der Forderung nach Leichtbau sind Alternativwerkstoffe in der Diskussion und damit umfangreiche Neuentwicklungen auf dem Werkstoffsektor angeregt worden. Dabei müssen Stähle für den Karosseriebau komplexen Anforderungen bezüglich der Umformbarkeit (r-Wert und n-Wert als Kenn größe) und der Bauteileigenschaften gerecht werden. Die Auslegungskriterien der verschiedenen Bauteile orientieren sich im Leichtbau, je nach Bauteilkomponente, an der elastischen und plastischen Beulsteifigkeit oder an der Energieaufnahme sowie an den für den Karosseriebau wichtigen Werkstoffkennwerten. Als wichtige Werkstoff kennwerte sind der Elastizitätsmodul, die Streckgrenze, Zugfestigkeit, Gleichmaß- und Bruchdehnung, das Verfestigungsverhalten, das Verhalten bei mehrachsiger Bean spruchung und die Ermüdungsfestigkeit zu nennen. Prinzipiell können die Werkstoff kenngrößen durch fertigungstechnische Parameter in weiten Grenzn variiert werden.

Neuentwicklungen bei Werkstoffen sind darauf ausgerichtet, für das jeweils gewünsch te Festigkeitsniveau ein möglichst hohes Maß an Kaltumformbarkeit zu ermöglichen. Je nach Festigkeitsniveau muß dabei auf ein unterschiedliches Werkstoffkonzept zurück gegriffen werden. Im unteren Festigkeitsniveau haben sich die Bake-hardening-Stähle bewährt, bei mittleren Festigkeiten werden in großem Umfang mikrolegierte hochfeste Stähle eingesetzt, während für höhere Festigkeitsanforderungen Mehrphasenstähle zur Verfügung stehen.

Bei den Bake-hardening-Stählen wird eine hohe Bauteilfestigkeit dadurch erzielt, indem ein Stahl neben der beim Pressen auftretenden Verformungsverfestigung noch eine nachfolgende zusätzliche Festigkeitssteigerung beim Einbrennlackieren erfährt. Der Vorteil liegt darin, daß ein relativ weicher Werkstoff dem Preßwerk zur Formgebung angeliefert und die gewünschte Endfestigkeit erst dann eingestellt wird, wenn sie am Bauteil benötigt wird. Bake-hardening-Stähle werden bereits seit Jahren in großem Umfang vor allem für die Außenbeplankung von Karosserien eingesetzt.

Stahlgruppen wie Dualphasen-Stahl oder mikrolegierte Stähle beispielsweise ZSTE 300 oder phosphorlegierte Stähle ZSTE 300 BH zeigen bereits eine hohe Festigkeit bei guter Kaltumformbarkeit und bieten damit ein großes Gewichteinsparungspotential. Dabei weisen auch diese Stähle einen Bake-hardening-Effekt auf. Eine Weiterentwicklung des Dualphasen-Stahl-Konzeptes ist der TRIP-Stahl, der ebenso wie der Dualphasen-Stahl ein mehrphasiges Gefüge mit weichen und harten Gefügebestandteilen besitzt.

Da die Erhöhung der Festigkeit normalerweise eine Verschlechterung der Weiterverar beitung, insbesondere der Umformbarkeit zur Folge hat, zielen die Entwicklungen vor allem auf eine Verbesserung des Umformbarkeits-Festigkeitsverhältnisses ab. Mit den herkömmlichen Stahlkonzepten beziehungsweise Verfestigungsmechanismen sind hier natürliche Grenzen gesetzt. Ein erster Schritt zur Verbesserung wurde mit den Bake hardening-Stählen erreicht, durch die eine gute Umformbarkeit aufgrund der niedri geren Ausgangsfestigkeit und eine erhöhte Endfestigkeit im Bauteil nach der Einbrenn lackierung gewährleistet ist.

Die bei der Einbrennlackierung verwendeten eingeschränkten Prozeßbedingungen der Wärmebehandlung bei 170°C über eine Zeitspanne von 20 Minuten zeigt lediglich bei gewissen Stählen, den sog. Bake-hardening-Stählen, den gewünschten Effekt eines Streckgrenzenzuwachses.

Wünschenswert und bisher nicht realisiert sind umfassendere Konzepte zur Karosserie herstellung, die den vielfältigen Anforderungen bei der Konzeption einer Karosserie dadurch gerecht werden, daß unter günstiger Ausnutzung variabler, aufeinander abge stimmter Prozeßbedingungen insbesondere eine Verbesserung des Umformbarkeits- Festigkeitsverhältnisses erzielt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Karosserie oder Karosseriebaugruppe sowie Herstellungsverfahren anzugeben, durch die eine Verbesserung des Umform barkeits-Festigkeitsverhältnisses erreicht wird.

Die Erfindung wird in Bezug auf die Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung beinhaltet ein neues Konzept einer wärmebehandelten Fahrzeugkaros serie ("body-in-blue") und deren Herstellung. Durch die Prozeßfolge der Wärmebehand lung in einem Temperaturbereich zwischen 400 bis 900°C entsteht eine vollständige Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe mit gezielt eingestellten Eigenschaften bzw. einer optimalen Balance der wichtigsten Eigenschaften wie Festigkeit, Energie absorptionsvermögen, Ermüdungsfestigkeit und Beulsteifigkeit bei möglichst niedrigem Gewicht.

Bevorzugte Verwendung finden niedrig legierte Stahlbleche mit guter Tiefziehfähigkeit, niedriger Streckgrenze, hohen n- und r-Werten. Einerseits gewährleisten diese Materia lien zunächst eine ausgezeichnete Formbarkeit, andererseits findet durch ein nachträg liches Härten während einer Temperaturbehandlung, vorteilhafterweise in Verbindung mit einem Hartlötprozeß als Fügetechnik, ein Anstieg der Festigkeit, insbesondere der Streckgrenze statt.

Je nach Materialeigenschaften findet der Aushärtprozeß aufgrund von Ausscheidungs härtung, Oberflächenhärtung unter geeigneter Gasatmosphäre oder durch eine Pha senumwandlung statt. Zusätzliche Steifigkeit (Knick- und Biegesteifigkeit), aber auch Korrosionsschutz bewirkt beispielsweise der Einsatz von temperaturstabilen Schäumen in den Hohlräumen der Karosseriestruktur. Ebenso wird in Verbindung mit der Härtebehandlung der Gesamtstruktur eine zusätz liche Oberflächenhärtung unter geeigneter Gasatmosphäre bewirkt. Auch eignet sich die Wärmebehandlung zur Bildung von korrosionsbeständigen, passivierten Ober flächen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht im Einsatz unterschiedlicher metallischer Werkstoffe in einer Materialauswahl für die angestrebten Eigenschaften der Gesamt struktur durch Einstellung der Materialeigenschaften infolge einer Wärmebehandlung. Bezüglich des Materials gibt es keine Einschränkung der zu verwendenden metallischen Werkstoffe für den Karosseriebau (Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan).

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Kombination des Hartlötens als Fügetechnik in Verbindung mit der selektiven Festigkeitserhöhung der einzelnen Karosseriebaugruppen bei der verwendeten Löttemperatur.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierzu werden ungeformte Bauteile nach folgendem Ablaufschema in einem einzigen integriertem Verfahrensschritt zu einer Rohkarosserie gefügt.

1. Material

Niedrig legierte Stahlbleche mit guter Umformbarkeit und niedriger Streckgrenze. Dafür geeignete Werkstoffe sind vor allem niedrig legiert Stähle beispielsweise IF-Stahl, mikrolegierte Stähle, Cu-Stahl und Mehrphasenstähle, die sich im Gegensatz zu konventionellen Karosseriestählen durch eine Wärmebehandlung aushärten lassen (vorzugsweise durch Ausscheidung- und Umwandlungshärtung).

2. Fixieren der umgeformten Einzelkomponenten

Die einzelnen Komponenten werden durch mechanisches Klammern, magnetische Vorrichtungen, Punktschweißen oder mechanische Fügeverfahren (z. B. Durchsetzfügen, Stanznieten), fixiert("geheftet").

3. Fügen der gehefteten Komponenten

Fügen den einzelnen Bauteile durch Hartlöten bei 600-900°C z. B. mit Lotwerkstoffen auf Cu- oder Ag-Basis, unter Schutzatmosphäre (z. B. Ar, N₂, Exo- oder Endogas), 3 bis 5 min.

4. Oberflächenhärtung

Oberflächenhärtung durch kohlenstoffhaltiges Gas (Mischung aus CO, CO₂, H₂, H₂O) und/ oder durch stickstoffhaltiges Gas (z. B. NH₃, N₂), beispielsweise mit einem Anteil von 20-50%, bei einem Reaktionszeit von ca. 10-30 min bei T zwischen 500-700°C.

5. Matrixhärtung

Die Matrixhärtung des Werkstoffes ist gleichzeitig während der unter Fügen und Ober flächenhärtung beschriebenen Temperaturzyklen möglich. Als wichtige Härtungs mechanismen laufen Ausscheidungs- und Phasenumwandlungsreaktionen ab.

6. Passivierung

Die Oberflächenbehandlung wird durch die Wahl von Temperatur und Atmosphären zusammensetzung so gestaltet, daß nach erfolgter Oberflächenhärtung die Oberfläche selbst beispielsweise durch Oxidschichtbildung passiviert wird.

Dieser Prozeß wird vorteilhafterweise in einem Durchlaufofen durchgeführt, in dem schnelle Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten gewährleistet werden können. Einzelne Bauteile aus geeignete Legierungen werden fixiert, hartgelötet, ausgehärtet und oberflächenversiegelt als Ergebnis eines einzigen, integrierten Prozesses.

Claims

1. Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe, gekennzeichnet durch, im Temperaturbereich zwischen 400 bis 900°C aushärtende metallische Werkstoffe.

2. Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werkstoff niedrig legiertes Stahlblech mit guter Umformbarkeit und niedriger Streckgrenze ist.

3. Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff gehärtet und/oder oberflächengehärtet ist.

4. Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffoberfläche durch eine thermische Behandlung gegen Korrosion geschützt ist.

5. Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die metallischen Werkstoffe härtbare Stähle oder Aluminium- oder Magnesium- oder Titan-Legierungen.

6. Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugkarosserien oder Karosseriebaugruppen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelkomponenten, bestehend aus im Temperaturintervall 400 bis 900°C aushärtenden Werkstoffen, durch eine Wärmebehandlung bei 400 bis 900°C mittels Löten gefügt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, kennzeichnet, durch die Verfahrensschritte

- Fixieren der umgeformten Einzelkomponenten
- Fügen der gehefteten Komponenten durch Löten
- Oberflächenhärtung
- Matrixhärtung
- Passivierung.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixhärtung gleichzeitig mit dem Fügen der gehefteten Komponenten und der Oberflächenhärtung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügen mittels Hartlöten bei 600-900°C mit Loten auf Cu- oder Ag-Basis durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume der Fahrzeugkarosserie oder Karosseriebaugruppen mit Schaum ausgefüllt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein C- oder Al-Schaum verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum bei einer Temperatur im Bereich von 400-500°C gebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberflächenhärtung in einer Gasatmosphäre aus stickstoffhaltigen oder kohlen stoffhaltigen oder aus einer Kombination aus beiden durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Passivierung eine korrosionhemmende Oxidoberfläche gebildet wird.