DE4446709A1 - Verwendung einer Stahllegierung für Konstruktions-Hohlprofile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Stahllegierung für Konstruktions- Hohlprofile insbesondere zur Verstärkung der Seitentüren von Kraftfahrzeugen gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Im Zuge des Trends zum Leichtbau für eine Vielzahl von Stahlkonstruktionen werden Konstruktions-Hohlprofile gefordert, die einerseits hochfest sind und andererseits ein möglichst geringes Gewicht aufweisen. Ein Anwendungsgebiet ist die Verstärkung der Kraftfahrzeugtür gegen seitliche Aufprallunfälle. Die zur Herstellung dieser Verstärkungselemente verwendeten Stahlprofile müssen bestimmten Mindestanforderungen hinsichtlich Festigkeit ( 1100 N/mm²), Streckgrenze ( 800 N/mm²), Bruchdehnung ( 8%) und Verformungsarbeit ( 1900 Nm) genügen. Derartige Türverstärkerelemente werden üblicherweise als nahtlos warmgefertigte Rohre hergestellt.

Aus der DE 37 28 476 C1 ist die Verwendung einer Stahllegierung als Werkstoff für die Herstellung von Türverstärkerrohren bekannt, die entsprechende Gehalte an Nickel, Chrom und Molybdän aufweist.

Die Herstellung der nahtlosen Rohre durch Warmwalzen erfolgt dabei mit der Maßgabe, daß die Walzendtemperatur zwischen 980 und 1080 Grad liegt. Dadurch können, ohne daß es noch einer aufwendigen Wärmebehandlung bedarf, die geforderten Mindestwerte eingehalten werden, weil der verwendete Werkstoff lufthärtend ist. Ein Nachteil dieses Herstellverfahrens ist darin zu sehen, daß zur Herstellung teure Legierungselemente, wie Chrom, Nickel und Molybdän in größeren Mengen eingesetzt werden müssen, so daß die steigenden Materialkosten den Einsparungen bei der entfallenden Wärmebehandlung z. B. Wasservergütung entgegenwirken.

Aus der DE 39 35 965 C1 ist ebenfalls die Verwendung eines lufthärtenden Stahles zur Herstellung von Rohren zur Verstärkung von Kraftfahrzeugtüren bekannt. Dieser zeichnet sich dadurch aus, daß er hohe Mangangehalte im Bereich von 3,40 bis 6,10 Gewichtsprozent aufweist. Die Herstellung eines solchen Stahles ist aufwendig, da die Zulegierung so hoher Mangangehalte metallurgisch schwierig ist und außerdem der Stahl umformtechnisch Probleme bereitet und zu Anrissen neigt.

Neben der Werkstoffproblematik gibt es noch die zusätzliche Schwierigkeit der Abmessungstoleranzen. Eine gezielte Gewichtsreduzierung ist beispielsweise nur möglich, wenn gewährleistet ist, daß über die Länge und den Umfang gesehen enge Wanddickentoleranzen ein haltbar sind. Eine der Möglichkeiten zur Lösung des Problems wäre der Einsatz eines geschweißten Rohres, da das für das Rohr verwendete Band enge Dickentoleranzen aufweist. Hochfeste Stahlwerkstoffe zu schweißen ist aber schwierig, außerdem ist der Prüfaufwand für die Kontrolle der Schweißnähte erheblich.

Ausgehend von dem vorstehend erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine wirtschaftliche Stahllegierung für Konstruktions-Hohlprofile insbesondere zur Verstärkung der Seitentüren von Kraftfahrzeugen zu schaffen, die aufgrund ihrer Zusammensetzung unter Verzicht einer zusätzlichen Wärmebehandlung eine ausreichend hohe Festigkeit bei gleichzeitig befriedigendem Streckgrenzenverhältnis besitzt. Eine weitergehende Aufgabe besteht darin, das Türverstärkerelement auch in schmale Kraftfahrzeugtüren einbauen zu können.

Diese Aufgabe wird mit der im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Legierungszusammensetzung gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung solcher Konstruktions-Hohlprofile sowie die konstruktive Ausbildung der Profile sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Kern der Erfindung ist die Verwendung eines lufthärtenden Stahles, dessen chemische Zusammensetzung so gewählt ist, daß die geforderten Festigkeiten erreichbar sind und auf die Zulegierung teurer Elemente wie Chrom, Nickel und Molybdän entweder verzichtet wird oder die Zulegierung nur im geringen Umfang erfolgt. Außerdem ist dieser Stahl gut warmverformbar und neigt nicht zu Anrissen. Die erfindungsgemäße Stahllegierung ist zum einen geeignet für die Herstellung warmgewalzter nahtloser Rohre, die auf dem Kühlbett so gesteuert abgekühlt werden, daß die geforderten Werkstoffkennwerte erreicht werden. Die ansonsten zusätzlich erforderliche Wärmebehandlung der warmgewalzten Rohre kann hier entfallen. Alternativ ist diese Stahllegierung besonders geeignet zur Herstellung feuerpreßgeschweißter Rohre. Bei diesem Verfahren wird in bekannter Weise ein Band gewalzt, das anschließend über das bereits bekannte Feuer-Preß-Schweißen (Stahlrohr Handbuch, 7. Auflage 1973, S. 96, 97) zu einem Rohr geschweißt wird. Je nach Abmessung kann sich dem Schweißen in gleicher Hitze ein Streckreduzieren anschließen. Danach erfolgt die Abkühlung, wobei die Abkühlungsrate höher als die von ruhender Luft liegen kann. Dies kann man dadurch erreichen, daß man Ventilatoren zur Bewegung der Luft aufstellt oder die Rohre durch eine Luft-Wasser-Atmosphäre hindurchleitet. Die dabei erzielbare Abkühlrate liegt im Bereich von 4-12° Celsius pro Sekunde. Damit das Band ohne Schwierigkeiten einformbar ist, wird es vor dem Einsatz in die Schweißlinie weichgeglüht bei einer Temperatur im Bereich von 700° Celsius oder gesteuert im Coil abgekühlt mit einer Abkühlrate (z. B. bei 4° Celsius pro Minute), die unterhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit liegt und somit eine Lufthärtung vermeidet.

Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß das Herstellverfahren kostengünstig ist und der Vorteil der engen Dickentoleranzen des Bandes für eine Gewichtsoptimierung genutzt werden kann. Der Einsatz des lufthärtenden Stahles in der angegebenen Zusammensetzung garantiert ein entsprechendes Festigkeitsniveau, so daß die Anforderungen, die an ein Verstärkungselement für die Kraftfahrzeugtür gestellt werden, voll erfüllt werden. Da das Streckreduzieren in der gleichen Hitze erfolgt ist eine zusätzliche Energie dafür nicht erforderlich und außerdem kann das Streckreduzieren dazu benutzt werden, um in den letzten Gerüsten Formwalzen anzuordnen, um ein von der runden Kreisform abweichendes Querschnittsprofil herzustellen.

Für die spezielle Anwendung als Türverstärkerelement hat sich ein flachovaler Querschnitt als günstig herausgestellt. Dieses Profil weist zwei parallelliegende gerade Seitenwände auf, die über einen konvex gekrümmten Abschnitt verbunden sind mit einem Radius, der größer ist als der halbe Abstand zwischen den beiden Seitenwänden. Baut man ein solches Profil hochkant stehend in der Kraftfahrzeugtür ein, dann ergeben sich günstige Einbauverhältnisse wegen des geringen Abstandes der beiden parallelliegenden Seitenwände. Außerdem kann es vorteilhaft befestigt werden, da an die geraden Seitenwände ohne Schwierigkeiten entsprechende Halteelemente anordenbar sind. Die flach verlaufenden konvex gekrümmten Abschnitte, die die beiden Seitenwände miteinander verbunden, sorgen dafür, daß im Falle eines seitlichen Aufpralles ein solches Profil nicht vorzeitig zum Einknicken neigt. Weitere Verbesserungen kann man in der Weise erreichen, daß das ovale oder elliptische Querschnittsprofil asymmetrisch ist, wobei r₁ ≠ r₂ ist. Mit r₁, r₂ werden die Krümmungsradien der in der langen Achse liegenden konvexen Abschnitte bezeichnet. Eine gezielte Verstärkung des Profiles ist auch dadurch erreichbar, wenn die Dicke des Bandes in Querrichtung verschiedene Werte aufweist. Eine weitere Maßnahme ist die Vorgabe der Plazierung der Schweißnaht im Querschnittsprofil. Da die Schweißnaht eine Schwachstelle ist, wird man sie dorthin legen, wo die Gesamtspannungen am niedrigsten sind bzw. die Belastungen am geringsten sein werden. Dies kann man in der Weise erreichen, daß das Kaliber im Profilwalzwerk bzw. im Formwalzwerk entsprechend gestaltet ist.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Herstellung eines geschweißten Konstruktion- Hohlprofils näher erläutert.

Das zur Herstellung eines Fretz Moon-geschweißten Türverstärkerrohres in der Abmessung 26,9 × 2,0 mm verwendete zuvor weichgeglühte Spaltband weist eine Breite von 318 mm auf. Das auf Endloslänge zusammengeschweißte Band wird in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur von ca. 1300° Celsius erhitzt; die Bandkanten werden mit Sauerstoff noch höher erhitzt, um sie auf die für den Preßschweißvorgang notwendige Schweißtemperatur zu bringen. In einem Form- Schweißwalzwerk wird das Schlitzrohr geschweißt und im Maßwalzwerk auf einen Zwischendurchmesser von 60,3 mm gewalzt. Die Endabmessung von 26,9 × 2,0 mm wird im Streckreduzierwalzwerk eingestellt (Reduktion ca. 55%). Der endlose Rohrstrang wird mit einer Heißrohrsäge auf die gewünschte Länge geschnitten. Die Ausgangswanddicke des Bandes von 2,3 mm wird bei dem Streckreduziervorgang auf die Sollwanddicke von 2,0 mm gewalzt.

Claims (11)

1. Verwendung einer Stahllegierung für Konstruktions-Hohlprofile insbesondere zur Verstärkung der Seitentüren von Kraftfahrzeugen, welche in Gewichtsprozenten ausgedrückt folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Kohlenstoff|0,17-0,28 Silizium 0,30-0,49 Mangan 1,30-2,50 Phosphor kleiner 0,015 Schwefel kleiner 0,010 Chrom bis zu 0,49 Molybdän 0,20-0,40 Nickel 0,05-0,19 Kupfer bis zu 0,30 Aluminium 0,020-0,050 Titan 0,02-0,07 Bor 0,0015-0,0050 Niob 0,01-0,10 Vanadin 0,01-0,10 Stickstoff max. 150 ppm Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, wobei gilt, daß V+Nb+Ti<0,15% ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines geschweißten Konstruktions-Hohlprofiles aus einem lufthärtenden Stahl gemäß dem Anspruch 1, bei dem ein vom Coil abgehaspeltes, gewalztes Band auf eine Temperatur oberhalb Ac3 aufgeheizt und über Feuer-Preß-Schweißen zu einem Rohr geformt, gegebenenfalls in gleicher Hitze streckreduziert und anschließend an Luft abgekühlt und gegebenenfalls noch gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schweißen bzw. Streckreduzieren die Abkühlungsrate vorzugsweise größer ist als die bei ruhender Luft und das Band vor dem Einsatz in die Schweißlinie eine biegeweiche Struktur aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band vor dem Einsatz in die Schweißlinie weichgeglüht wird bei einer Temperatur im Bereich von 700° Celsius.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band nach dem Walzen einer gesteuerten Coil-Abkühlung unterworfen wird, wobei die Abkühlrate unterhalb der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des geschweißten bzw. streckreduzierten Rohres an bewegter Luft erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des geschweißten ggf. streckreduzierten Rohres in einer Luft-Wasser-Atmosphäre erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 der 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlrate im Bereich von 4-12° Celsius pro Sekunde liegt.

8. Türverstärkerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktions-Hohlprofil einen flachovalen Querschnitt aufweist mit zwei parallelliegenden geraden Seitenwänden und einem diese verbindenden konvex gekrümmten Abschnitt, dessen Radius größer ist als der halbe Abstand zwischen den beiden Seitenwänden.

9. Türverstärkerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktions-Hohlprofil einen asymmetrischen ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweist mit r₁ ≠ r₂, wobei r₁, r₂ die Krümmungsradien der in der langen Achse liegenden konvexen Abschnitte sind.

10. Türverstärkerelement nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Bandes in Querrichtung verschiedene Werte aufweist.

11. Türverstärkerelement nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht an einer vorgegebenen Stelle des Hohlprofilquerschnittes liegt.