DE102005054847B3

DE102005054847B3 - Hochfestes Stahlbauteil mit gezielter Deformation im Crashfall

Info

Publication number: DE102005054847B3
Application number: DE102005054847A
Authority: DE
Inventors: Ludger Gehringhoff; Dirk Kröger; Elisabeth Danger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Thermission Ag Ch
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2025-11-16
Also published as: US20070107819A1; FR2893953A1; FR2893953B1; US8202376B2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil, das nach dem Endformen und dem Einstellen hochfester mechanischer Eigenschaften im Stahl einer gezielten Wärmebehandlung bei Temperaturen von 320 bis 400°C unterzogen wurde. Insbesondere bei Struktur- und/oder Sicherheitsbauteilen, die im Crashfall axial belastet werden, soll das Bauteil einerseits hochfest sein und andererseits im Crashfall Falten werfen. Die Wärmebehandlung bei Temperaturen von 320 bis 400°C verändert die im Warmformprozess eingestellten Festigkeitswerte kaum, gleichzeitig wird die Duktilität des Werkstoffs aber derart erhöht, dass im Crashfall die erforderliche Faltenbildung auftritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein warmgeformtes und pressgehärtetes Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil für ein Kraftfahrzeug aus hochfestem Stahl nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Im Fahrzeugbau werden mehr und mehr Fahrzeugbauteile aus festem und hochfestem Stahl eingesetzt, um den Leichtbaukriterien bei steigenden Anforderungen an die Materialkennwerte gerecht zu werden. Dies gilt auch für den Karosseriebau, wo beispielsweise Struktur- und/oder Sicherheitsteile wie Türaufprallträger, A- und B-Säulen, Stoßfänger oder Längs- und Querträger immer öfter zur Erreichung der Gewichtsziele und der Sicherheitsanforderungen aus einem warmgeformten und pressgehärteten festen oder höchstfesten Stahl hergestellt werden. Aus der DE 24 52 486 C2 ist dabei ein Verfahren zum Pressformen und Härten eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit bekannt, bei dem ein Blech aus einem borlegierten Stahl auf eine Temperatur über AC₃ erwärmt und danach in weniger als 5 Sekunden in die endgültige Form zwischen zwei indirekt gekühlten Werkzeugen unter wesentlicher Formveränderung gepresst wird und unter Verbleiben in der Presse einer Schnellkühlung so unterzogen wird, dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird. Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, das sich hervorragend für Struktur- und Sicherheitsteile im Fahrzeugbau eignet. Dieser Prozess ist nachfolgend mit Warmformen und Presshärten gemeint.
Aus der EP 0 753 595 B1 ist es bekannt, einen Stabilisator aus einem Rohr herzustellen, wobei die Rohre zunächst normal geglüht werden bei einer Temperatur wenig oberhalb des A_C3-Punktes der Legierung mit anschließendem Abkühlen in ruhender Atmosphäre. Aus den so behandelten Rohren werden anschließend Stabilisatoren umformtechnisch mit den üblichen Verfahrensgängen hergestellt. Hieran schließt sich eine Wasserhärtung der Stabilisatoren an. Die Wasserhärtung erfolgt vorzugsweise im Werkzeug selber, so dass ein zusätzliches Aufnehmen der Stabilisatoren zum Zwecke der Härtung entfällt. Fallweise kann ein Anlassen unter Luft bei einer Temperatur zwischen 200°C und 400°C erfolgen. Ein Einspannen der Stabilisatoren beim Anlassen zur Vermeidung von Verzug ist in diesem Anlasstemperaturbereich nicht erforderlich. Die EP 0 753 595 B1 beschreibt zwar einen Form- und Härteprozess. Dieser weicht aber von dem typischen Warmform- und Härteprozess eines Stahlblechs mit geringer Materialdicke und guter Maßhaltigkeit ab, weil es sich um Rohre handelt.
Rohre weisen ein anderes Umform- und Härteverhalten als Blech auf. Zudem handelt es sich bei einem Stabilisator nicht um ein im Crashfall relevantes Sicherheitsbauteil.

Aus der DE 103 48 086 A1 ist es bekannt, eine Stahlsorte warmzuformen und presszuhärten, die sich in Gewichtsprozent aus

Kohlenstoff (C)	0,18% bis 0,3
Silizium (Si)	0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn)	1,0% bis 2,5%
Phosphor (P)	maximal 0,025%
Chrom (Cr)	bis 0,8%
Molybdän (Mo)	bis 0,5%
Schwefel (S)	maximal 0,01%
Titan (Ti)	0,02% bis 0,05%
Bor (B)	0,0015% bis 0,005%
Aluminium (Al)	0,01% bis 0,06%

Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen zusammensetzt. Nach dem Warmumformen und Härten stellen sich bei diesem Stahl eine Streckgrenze R_P0,2 ≥ 950 N/mm², eine Zugfestigkeit R_m ≥ 1350 N/mm² und eine Dehnung A5 ≥ 8% ein. Die offenbarte Stahlsorte wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung BTR 165 vielfach eingesetzt. In der DE 103 48 086 A1 wird ein aus BTR 165 warmgeformtes und gehärtetes Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil anschließend in einer Wärmekammer lagefixiert und bei weniger als 320°C von allen Seiten mit einem Sherardisierpulver aus Zink bestäubt. Laut der DE 103 48 086 A1 muss der Wärmeeintrag in das warmgeformte und pressgehärtete Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil während des Feststoffdiffusionsverfahrens so gering wie möglich gehalten werden, damit die Festigkeitswerte des gehärteten Stahls nicht wesentlich beeinflusst werden. Deshalb wird erfindungsgemäß bei Temperaturen unter 320°C gearbeitet.
Aus der DE 199 41 993 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines biegesteifen torsionsweichen Rohrprofils als Querträger für eine Verbundlenkerhinterachse bekannt, bei welchem ein Rohr aus einem Vergütungsstahl unter Sicherstellung torsionssteifer Endabschnitte zunächst im mittleren Längenabschnitt durch eine U-förmige Kaltverformung torsionsweich gestaltet wird, worauf das derart gestaltete Rohrprofil mindestens in Teilabschnitten bei einem Temperaturniveau zwischen 920 und 960°C geglüht, dann mit einer oberhalb des AC₃-Punktes liegenden Temperatur in Wasser gehärtet, anschließend mit einer Temperatur zwischen 240°C und 320°C über einen Zeitraum von etwa 20 Minuten angelassen, danach wenigstens einer äußeren Oberflächenverfestigung unterworfen und schließlich der Weiterkonfiguration zur Fertigstellung einer Verbundlenkerhinterachse zugeführt wird.
Aus der DE 197 43 802 C2 ist es bekannt, eine Platine aus BTR 165 zunächst auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C homogen zu erwärmen, die Platine anschließend in einem Pressenwerkzeug zum Formbauteil umzuformen und dann den Formbauteil noch im Pressenwerkzeug zu vergüten, um anschließend partielle Bereiche des Formbauteils in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C zu bringen. Auf diese Weise sollen in der Platine Bereiche mit höherer Duktilität eingestellt werden. Bei Temperaturen zwischen 600°C und 900°C findet in der Stahlsorte eine umfangreiche Gefügeumwandlung statt, was bedeutet, dass die mechanischen Werte wieder in Richtung ungehärteter Stahl revidiert werden. In den duktilen Bereichen ist der Stahl daher nicht mehr hochfest.
Struktur- und Sicherheitsbauteile sind zum Beispiel Türaufprallträger, Stoßfänger, B-Säulen und Längsträger. Eine partiell gehärtete B-Säule aus BTR 165 ist beispielsweise in der DE 200 14 361 U1 offenbart. B-Säulen, Stoßfänger und Türaufprallträger werden im Crashfall in der Regel auf Biegung belastet. Anders sieht es beispielsweise bei einem Längsträger aus. Längsträger verlaufen in Fahrzeuglängsrichtung und sind ebenfalls aus hochfestem Stahl hergestellt. Wird das Fahrzeug von der Front- oder Heckseite getroffen, wird Crashenergie in Längsrichtung in den Längsträger eingeleitet. Der Längsträger soll dabei hochfest sein, aber ab einer definierten Belastung durch Faltenwerfen Crashenergie in Verformungsarbeit umwandeln. Das beschriebene BTR 165 Material zum Beispiel ist jedoch im gehärteten Zustand nicht duktil genug, um ein Faltenwerfen zu realisieren. In der Regel deformiert der gehärtete Werkstoff im Belastungsfall nicht, so dass es teilweise zu spröden Bauteilrissen kommen kann. Dies ist nachteilig für den Energieabbau.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein warmgeformtes und pressgehärtetes Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil für ein Kraftfahrzeug aus hochfestem Stahl so weiterzuentwickeln, dass es auch mit hochfesten mechanischen Eigenschaften im Crashfall einen gezielten Faltenwurf aufweist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach wird ein warmgeformtes- und pressgehärtetes Strukturbauteil eingesetzt, das nach dem Warmform- und Presshärtungsprozess bei 320 bis 400 Grad Celsius wärmebe handelt worden ist. Durch diese Wärmebehandlung werden die hochfesten Eigenschaften des Bauteils gezielt beeinflusst. Die Streckgrenze R_P0,2 und die Dehnung A₅ bleiben nahezu unverändert. Lediglich die Zugfestigkeitswerte Rm werden um 100 bis 200 N/mm² reduziert. Bei der Stahlsorte BTR 165, die sich in Gewichtsprozent aus

Kohlenstoff (C)	0,18% bis 0,3%
Silizium (Si)	0,1% bis 0,7%
Mangan (Mn)	1,0% bis 2,5%
Phosphor (P)	maximal 0,025%
Chrom (Cr)	bis 0,8%
Molybdän (Mo)	bis 0,5%
Schwefel (S)	maximal 0,01%
Titan (Ti)	0,02% bis 0,05%
Bor (B)	0,002% bis 0,005%
Aluminium (Al)	0,01% bis 0,06%

Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen zusammensetzt, stellen sich nach der Wärmebehandlung bei 320 bis 400°C eine Zugfestigkeit Rm von 1200 bis 1400 N/mm², eine Streckgrenze R_P0,2 von 950 bis 1250 N/mm² und eine Dehnung A₅ von 6–12% ein. Der Werkstoff verfügt nach wie vor über die notwendigen hochfesten mechanischen Eigenschaften, durch die etwas geringere Zugfestigkeit Rm ist der Werkstoff aber so duktil, dass er bei entsprechender Belastung Falten wirft, anstatt zu brechen oder reißen.
Überraschenderweise genügt die geringfügige Herabsetzung der Festigkeit, um bei einem Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil die Deformationsfähigkeit im Sinne von Faltenbildung trotz hochfester Eigenschaften wieder herzustellen. In der Regel ist eine Faltenbildung bei einer axialen Belastung eines Struktur- oder Sicherheitsbauteils möglich. Axial belastet deshalb, weil für eine gezielte Deformation ein gewisser Deformationsweg zur Verfügung stehen muss. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Längsträgern oder Bodenquerträgern. Eine B-Säule hingegen darf nicht in den Fahrgastraum eindringen. Deswegen ist die Erfindung für B-Säulen nicht sinnvoll einsetzbar.
In einer besonderen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Bauteil beschichtet. Neben dem ohnehin in vielen Fällen erforderlichen Korrosionsschutz ist es erfindungsgemäß möglich, dass Bauteil zeitgleich in Verbindung mit einem Beschichtungsverfahren bei 320 bis 400°C wärmezubehandeln. Dies ist zum Beispiel mit einem Tauchbeschichten oder einem Diffusionsverfahren möglich. Je nach Belastungsfall, auf den das Bauteil ausgelegt wird, kann es sinnvoll sein, das Bauteil nur partiell bei 320 bis 400°C wärmezubehandeln. So kann gezielt ein Bereich ohne Deformation neben einem Bereich mit einer möglichen Faltenbildung aber sehr hohen Festigkeiten eingestellt werden.
Ein Anwendungsfall für ein erfindungsgemäß eingestelltes Bauteil ist ein vorderer oder hinterer Fahrzeuglängsträger, ein weiterer Anwendungsfall besteht zum Beispiel in der Schwellerverstärkung im Fahrzeugrahmen. Im übrigen sind alle hochfesten Struktur- oder Sicherheitsbauteile geeignet, bei denen ein ausreichender Deformationsweg für die gewünschte Deformation gegeben ist.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Dabei zeigen
1 einen Längsträger 1 ohne Deformationen
2 einen erfindungsgemäßen Längsträger 2 mit einer gezielt eingestellten Deformation 20
3 eine Teilkarosseriedarstellung 3
4 einen Bodenquerträger 44.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen hinteren Längsträger 1 vor einem Crashfall. Crashenergie wird bei einem Unfall durch Auffahren in Pfeilrichtung aufgenommen. Der Längsträger 1 ist über seine gesamte Länge warmumgeformt und pressgehärtet worden. Es sollen sich im Crashfall Faltenbeulen einstellen. Um diesen Effekt zu erreichen, ist der Längsträger 1 gezielt bei 320 bis 400°C wärmebehandelt worden.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Längsträger 2 nach einem Crash. Der Längsträger 2 deformiert, indem er beulenartige Falten 20 ausbildet. Durch diese Faltenbildung 20 wird Crashenergie in Verformungsarbeit umgewandelt. Eine solche De formation tritt aufgrund der hohen Festigkeitswerte allerdings erst bei starken Energiekräften auf, in der Regel ist in einem solchen Fall die Karosserie wirtschaftlich irreparabel deformiert. Die Faltenbildung 20 wird aber zum Insassenschutz gebraucht, damit Crashenergie in Arbeit umgewandelt wird und nicht in vollem Umfang die Insassen trifft. Bei einem erfindungsgemäßen Längsträger 2 aus BTR 165 bestehen auch nach einer Wärmebehandlung bei 320 bis 400°C nach dem Härten noch eine Zugfestigkeit Rm von 1200 bis 1400 N/mm², eine Streckgrenze Rp_0,2 von 950 bis 1250 N/mm² und eine Dehnung A₅ von 6 bis 12%. Damit ist der erfindungsgemäße Längsträger 2 nach wie vor hochfest, aber ausreichend duktil, um bei hohen Crashkräften Faltenbeulen auszubilden, anstatt schlicht zu reißen.
3 zeigt eine Teilkarosseriedarstellung 3 mit einigen Struktur- und Sicherheitsbauteilen. Einen typischen erfindungsgemäßen Anwendungsfall bilden die hinteren und vorderen Längsträger 80, 81, 82, 83. Die Bodenquerträger 40, 41 und 42 werden ebenfalls im Crashfall in der Regel axial belastet, das gleiche gilt für die Schwellerverstärkung 5. Die B-Säulen 60, 61 und die Türaufprallträger 70, 71, 72 und 73 hingegen dürfen möglichst nicht in den Fahrgastraum hinein deformieren.
4 zeigt schematisch einen Bodenquerträger 44. Der Bodenquerträger 44 ist über je etwa 1/6 seiner Länge in den jeweiligen Endbereichen 90 und 91 erfindungsgemäß bei 320° bis 400°C partiell wärmebehandelt worden. Dadurch ist ein maximaler Deformationsweg von 2/6 der Gesamtlänge des Bodenquerträgers 44 trotz hochfesten mechanischen Eigenschaften eingestellt worden. Die restliche Länge von 4/6 des Querträgers 44 bleibt nach der Warmformung und Presshärtung unverändert. Sie garantiert die stabile Fahrgastzelle.

Claims

Verwendung eines Bauteils aus hochfestem Stahl, das nach dem Warmformen und Presshärten bei 320 bis 400 Grad Celsius wärmebehandelt worden ist, als Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil für ein Kraftfahrzeug.
Verwendung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Bauteil handelt, das im Crashfall gezielt einer axialen Belastung ausgesetzt ist.
Verwendung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Längsträger 1, 2, 80, 81, 82, 83 eines Fahrzeugsrahmens handelt.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfeste Stahl sich in Gewichtsprozent aus Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3% Silizium (Si) 0,1% bis 0,7% Mangan (Mn) 1,0% bis 2,5% Phosphor (P) maximal 0,025% Chrom (Cr) bis 0,8% Molybdän (Mo) bis 0,5% Schwefel (S) maximal 0,01% Titan (Ti) 0,02% bis 0,05% Bor (B) 0,002% bis 0,005% Aluminium (Al) 0,01% bis 0,06% Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen zusammensetzt und nach der Wärmebehandlung bei 320 bis 400°C eine Zugfestigkeit Rm von 1200 bis 1400 N/mm², eine Streckgrenze Rp_0,2 von 950 bis 1250 N/mm² und eine Dehnung A₅ von 6–12% aufweist,
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen ist.