DE102015116186A1 - Halbzeug und Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente, Verwendung eines Halbzeugs und Fahrzeugkomponente - Google Patents

Halbzeug und Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente, Verwendung eines Halbzeugs und Fahrzeugkomponente Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente umfassend einen ersten Stahlwerkstoff und mindestens einen zweiten Stahlwerkstoff, wobei die Stahlwerkstoffe form-, kraft-, und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Aufgabe, auch bei einem geringerem Gewicht der Fahrzeugkomponente die von bisher eingesetzten Stahlwerkstoffen bekannten Eigenschaften möglichst zu erhalten oder sogar zu verbessern, wird dadurch gelöst, dass der erste Stahlwerkstoff eine geringere Massendichte aufweist und der zweite Stahlwerkstoff eine höhere Massendichte aufweist und das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs höchstens 0,95 beträgt. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente, eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs und eine Fahrzeugkomponente.

Description

  • Die vorlegende Erfindung betrifft ein Halbzeug zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente umfassend einen ersten Stahlwerkstoff und mindestens einen zweiten Stahlwerkstoff, wobei die Stahlwerkstoffe form-, kraft-, und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente, eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs und eine Fahrzeugkomponente.
  • Im Automobilbau besteht insbesondere die Bestrebung, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Hierdurch kann zum einen eine Verringerung der Emissionen und zum anderen auch eine Erhöhung der Reichweite, was insbesondere bei Elektroautos gewünscht ist, erreicht werden. Dies kann beispielsweise durch Werkstoffsubstitution der bestehenden Werkstoffe mit leichteren Werkstoffen erreicht werden. Dieses Vorgehen kann jedoch bei zahlreichen Fahrzeugkomponenten an technische Grenzen stoßen, da hierdurch auch die Festigkeit und Steifigkeit der entsprechenden Komponente beeinflusst werden. Dabei müssen jedoch insbesondere notwendige Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen aus Sicherheitsgründen im Blick behalten und dürfen nicht unterschritten werden.
  • Im Stand der Technik gibt es unterschiedliche Ansätze, um die gegensätzlichen Anforderungen eines geringen Gewichts einerseits und einer hohen Festigkeit oder Steifigkeit andererseits miteinander zu vereinbaren.
  • Beispielsweise ist aus der Druckschrift EP 2 228 459 A1 ein Verfahren bekannt, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug beschreibt. Dabei besteht das Bauteil aus einer ersten Platine aus einem presshärtbaren Stahl und einer zweiten Platine aus einem hochmanganhaltigen Stahl. Hierdurch wird ein Bauteil mit erhöhten Bruchdehnungswerten bei gleichbleibend hoher Festigkeit bereitgestellt. Allerdings sind die damit hergestellten Bauteile weiterhin verbesserungsbedürftig insbesondere in Bezug auf ein geringes Gewicht.
  • Die Druckschriften EP 2 767 602 A1 und EP 2 767 601 A1 schlagen zur weiteren Reduzierung des Gewichts bei optimierten mechanischen Eigenschaften vor, ein Stahlflachprodukt vorzusehen, welches aus einer Eisen-Aluminium-Basis-Legierung besteht. Zwar kann hierdurch ein geringeres Gewicht erreicht werden. Allerdings müssen dabei wiederum Kompromisse bezüglich der Kosten, der Umformbarkeit, der Festigkeit und/oder der Duktilität in Kauf genommen werden.
  • Zudem ist zu berücksichtigen, dass häufig eine Erhöhung der Festigkeit alleine nicht ausreichend ist, wenn für die benötigte Steifigkeit eine geometrische Modifikation und damit Mehrgewicht verbunden ist.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich der Erfindung die Aufgabe, ein Halbzeug zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente, ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente, eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs und eine Fahrzeugkomponente anzugeben, wobei auch bei einem geringeren Gewicht der Fahrzeugkomponente die von bisher eingesetzten Stahlwerkstoffen bekannten Eigenschaften möglichst erhalten bleiben oder sogar verbesserte werden sollen.
  • Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass der erste Stahlwerkstoff eine geringere Massendichte aufweist und der zweite Stahlwerkstoff eine höhere Massendichte aufweist und das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs höchstens 0,95 beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Halbzeug macht sich zunutze, dass durch den ersten Stahlwerkstoff mit der geringeren Massendichte das Gewicht des Halbzeugs bzw. der daraus hergestellten Fahrzeugkomponente reduziert werden kann. Gleichzeitig jedoch können durch den zweiten Stahlwerkstoff die vorteilhaften Eigenschaften der Fahrzeugkomponente weitestgehend aufrechterhalten werden. Im Ergebnis können somit die Kompromisse, die notwendig wären, wenn beispielsweise die gesamte Fahrzeugkomponente aus dem ersten Stahlwerkstoff bestünde, reduziert oder sogar gänzlich vermieden werden. Insbesondere hat sich gezeigt, dass sich ein derartiger Stahlwerkstoff bzw. eine derartige Kombination von Stahlwerkstoffen für den Einsatz in Halbzeugen zur Herstellung von Fahrzeugkomponenten eignet. Um ein Beispiel anzuführen, hat es sich gezeigt, dass etwa bei der Herstellung einer Fahrzeugkomponente in Form einer B-Säule bis zu 10% des B-Säulengesamtgewichts eingespart werden können, während die übrigen Eigenschaften weitestgehend beibehalten werden können.
  • Unter einem ersten Stahlwerkstoff mit einer geringeren Massendichte wird verstanden, dass die Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs im Vergleich zur Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs geringer ist. Entsprechend wird unter einem zweiten Stahlwerkstoff mit einer höheren Massendichte verstanden, dass die Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs im Vergleich zur Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs höher ist.
  • Dass das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs höchstens 0,95 beträgt, heißt, dass der erste Stahlwerkstoff 95% oder weniger der Dichte des zweiten Stahlwerkstoffs aufweist. Der erste Stahlwerkstoff kann insofern als ein dichtereduzierter Stahlwerkstoff angesehen werden. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs höchstens 0,90. Hierdurch kann eine besonders effektive Gewichtsreduktion erreicht werden. Bevorzugt liegt das Verhältnis der Massendichten aber bei mindestens 0,70, bevorzugt 0,80.
  • Der (mindestens) zweite Stahlwerkstoff ist beispielsweise ein Dualphasenstahl, ein Mehrphasenstahl, ein Complexphasenstahl, ein Restaustenit-Stahl, ein Martensitphasenstahl, ein höherfester IF-Stahl, ein höherfester Streckziehstahl, ein Tiefziehstahl, ein Bake-Hardening-Stahl, ein phosphorlegierter Stahl, ein mikrolegierter höherfester Stahl, ein Federstahl oder ein Vergütungsstahl, vorzugsweise ein Mangan-Bor-Stahl. Der erste und/oder zweite Stahlwerkstoff kann beispielsweise kalt- oder warmgewalzt sein. Der erste und/oder zweite Stahlwerkstoff kann beispielsweise ein kalt- oder warmumformbarerer Stahl sein.
  • Bevorzugt ist der (mindestens) zweite Stahlwerkstoff ein Stahl (insbesondere ein Mangan-Bor-Stahl, ein Dualphasenstahl, ein Complexphasenstahl oder ein Mehrphasenstahl) mit einer Zugfestigkeit Rm von mindestens 400 MPa, bevorzugt mindestens 700 MPa, weiterhin bevorzugt mindestens 900 MPa, besonders bevorzugt mindestens 1000 MPa im Einsatzzustand. Ebenfalls bevorzugt kann der (mindestens) zweite Stahlwerkstoff ein Tiefziehstahl mit geringerer Zugfestigkeit aber dafür hoher Bruchdehnung A80, beispielsweise mindestens 20%, bevorzugt mindestens 30% sein.
  • Das Halbzeug kann zudem eine zumindest teilweise Oberflächenbeschichtung, etwa eine organische oder anorganische Oberflächenbeschichtung aufweisen.
  • Der erste und der (mindestens) zweite Stahlwerkstoff sind bevorzugt unmittelbar miteinander verbunden. Bei der Verbindung des ersten und des (mindestens) zweiten Stahlwerkstoffs ist insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung bevorzugt. Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Walzen, insbesondere Warmwalzen, Gießen, Schweißen, Löten, Plattieren und/oder Kleben hergestellt werden.
  • Ebenfalls kann das Halbzeug auch weitere Stahlwerkstoffe oder andere Werkstoffe umfassen. Die weiteren Werkstoffe können dann ebenfalls mit dem ersten und/oder zweiten Stahlwerkstoff verbunden sein, um das Halbzeug zu bilden. Bevorzugt besteht das Halbzeug jedoch ausschließlich aus dem ersten und dem zweiten Stahlwerkstoff.
  • Dass das Halbzeug ein Halbzeug zur Herstellung Fahrzeugkomponente ist, bedingt insbesondere, dass das Halbzeug so ausgebildet ist, dass auch die Dimensionen, wie etwa die Dicke oder die Größe des Halbzeugs entsprechend ausgelegt sind, um daraus eine Fahrzeugkomponente herstellen zu können.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist das Halbzeug auf die herzustellende Fahrzeugkomponente maßgeschneidert. Hierdurch können optimale Ergebnisse in Bezug auf ein geringes Gewicht bei gleichzeitigem Erhalt der gewohnten Eigenschaften einer aus einem gewöhnlichen Halbzeug aus Stahl hergestellten Fahrzeugkomponente erreicht werden. Beispielsweise wird die Anordnung des ersten Stahlwerkstoffs und des (mindestens) zweiten Stahlwerkstoffs gezielt gewählt, um die bei der daraus hergestellten Fahrzeugkomponente gewünschten Eigenschaften herzustellen. So kann beispielsweise der erste Stahlwerkstoff in Bereichen vorgesehen werden, in denen die Eigenschaften des ersten Stahlwerkstoffs bei der Fahrzeugkomponente erwünscht sind oder die Eigenschaften des (mindestens) zweiten Stahlwerkstoffs nicht benötigt werden. Andersherum kann der (mindestens) zweite Stahlwerkstoff in den Bereichen vorgesehen werden, in denen die Eigenschaften des zweiten Stahlwerkstoffs bei der Fahrzeugkomponente erwünscht sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist die geringere Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs kleiner 7,5 g/cm3, insbesondere kleiner 7,25 g/cm3, vorzugsweise kleiner 7,0 g/cm3. Wird die Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs auf unter 7,5 g/cm3, insbesondere unter 7,25 g/cm3, vorzugsweise unter 7,0 g/cm3 verringert, kann im Bereich des ersten Stahlwerkstoffs und damit auch insgesamt ein geringes Gewicht des Fahrzeugkomponente erreicht werden. Es hat sich insbesondere gezeigt, das sich selbst Stahlwerkstoffe mit derartigen geringen Dichten für Fahrzeugkomponenten einsetzten lassen, ohne die Funktionalität der entsprechenden Komponente zu beeinträchtigen.
  • Bevorzugt ist die höhere Massendichte des (mindestens) zweiten Stahlwerkstoffs größer als 7,0 g/cm3, insbesondere größer als 7,5 g/cm3. Mit einer vergleichsweise hohen Massendichte des (mindestens) zweiten Stahlwerkstoffs kann flexibel ein Stahlwerkstoff gewählt werden, um gewünschte Eigenschaften, wie etwa eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und/oder Duktilität bei der Fahrzeugkomponente bereitzustellen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist der erste Stahlwerkstoff ein dichtereduzierter Stahl auf Basis einer Eisen-Aluminium-Basis-Legierung und die Eisen-Aluminium-Basis-Legierung weist, insbesondere weniger als 40 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 30 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 20 Gew.-% Aluminium auf. Durch eine Eisen-Aluminium-Basis-Legierung kann die Dichte des ersten Stahlwerkstoffs reduziert werden. Dies kann dabei wirtschaftlich durch ein Zulegieren des Aluminiums bei der Herstellung des ersten Stahlwerkstoffs erreicht werden. Wird die Menge an Aluminium auf weniger als 20 Gew.-%, besonders bevorzugt auf weniger als 18 Gew.-% begrenzt, kann ein übermäßiger Festigkeitsverlust und Duktilitätsverlust des ersten Stahlwerkstoffs vermieden werden.
  • Beispielsweise wird für den ersten Stahlwerkstoff eine Eisen-Aluminium-Basis-Legierung verwendet, die neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) enthält:
    C ≤ 0,15
    3 ≤ Al ≤ 20
    REM ≤ 0,2
    P ≤ 0,1
    S ≤ 0,03
    N ≤ 0,1.
  • REM steht hierbei für Seltenerdmetalle, wobei der erste Stahlwerkstoff dabei eins oder mehrere Elemente der Gruppe der Seltenerdmetalle jeweils im angegebenen Bereich enthalten kann. Optional kann auch eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Mn, Si, Nb, Ti, Mo, Cr, Zr, V, W, Co, Ni, B, Cu, Ca mit der Maßgabe (in Gew.-%) enthalten sein, Mn: bis zu 6%, Si: bis zu 2%, Nb: bis zu 1%, Ti: bis zu 1%, Zr: bis zu 1%, V: bis zu 1%, W: bis zu 1%, Mo: bis zu 2%, Cr: bis zu 11%, Co: bis zu 1%, Ni: bis zu 2%, B: bis zu 0,1%, Cu: bis zu 3%, Ca: bis zu 0,015%.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist der erste Stahlwerkstoff ein korrosionsbeständiger Stahl auf FeAlCr-Basis. Hierdurch kann die Korrosionsbeständigkeit des Verbundes insbesondere durch Zulegieren von Cr, beispielsweise in einem Bereich von 2 bis 11 in Gew.-% verbessert werden und wesentlich geringere Werkstoffkosten im Gegensatz zu Rostfreimaterialien (nichtrostende Stähle, CrNi-Stähle) erzielt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs wird der erste Stahlwerkstoff durch Einbringen und/oder Ausscheiden von Partikeln hergestellt. Beispielsweise können Partikel aus Keramik, insbesondere Nichtoxidkeramiken, beispielsweise Titancarbid (TiC) oder Titanborid (TiB2) in dem ersten Stahlwerkstoff vorgesehen werden. Hierdurch kann bei der herzustellenden Fahrzeugkomponente nicht nur eine geringe Dichte, sondern zudem ein hoher Elastizitätsmodul erreicht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist der erste Stahlwerkstoff ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff. Hierbei kann der Stahl keramisches oder organisches Verstärkungsmaterial, etwa in Form von Fasern aufweisen. Durch einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) kann nicht nur das Gewicht des ersten Stahlwerkstoffs verringert werden, sondern es können zudem auch mechanische Eigenschaften, etwa eine erhöhte Festigkeit oder Steifigkeit, oder thermische Eigenschaften, etwa eine geringe thermische Dehnung, positiv beeinflusst werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs besitzt der erste Stahlwerkstoff ein Elastizitätsmodul von mehr als 220 GPa. Wie bereits ausgeführt, kann ein hoher Elastizitätsmodul beispielsweise durch das Einbringen von Keramikpartikeln mit einem hohen Elastizitätsmodul oder durch das Vorsehen eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs erreicht werden. Hierdurch wird eine hohe Steifigkeit erreicht, was bei vielen Fahrzeugkomponenten eine erwünschte Eigenschaft ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist das Halbzeug ein Tailored Blank oder ein Tailored Strip. Unter einem Tailored Blank wird dabei eine Blechplatine verstanden, welche aus dem ersten Stahlwerkstoff und dem (mindestens) zweiten Stahlwerkstoff zusammengesetzt ist. Der erste und der zweite Stahlwerkstoff sind dabei also flächig nebeneinander in verschiedenen Bereichen des Halbzeugs vorgesehen. Der Bereich mit dem ersten und dem (mindestens) zweiten Stahlwerkstoff können dabei auch unterschiedliche Blechdicken aufweisen. Das Verbinden der Stahlwerkstoffe erfolgt bevorzugt mittels eines Schweißvorgangs, etwa als Stumpfstoß (Tailored Welded Blank). Unter einem Tailored Strip ist zu verstehen, dass das Halbzeug dabei im Unterschied zum Tailored Blank zusätzlich bandförmig vorgesehen ist. Ein als Tailored Blank oder Tailored Strip vorgefertigtes Halbzeug wird anschließend bei Bedarf Beschnitten und zum Beispiel durch Tiefziehen zur gewünschten Fahrzeugkomponente umgeformt. Der Einsatz derartiger Halbzeuge ist bei der Herstellung von Fahrzeugkomponenten insbesondere bei Strukturkomponenten vorteilhaft, welche häufig bereichsweise unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist das Halbzeug ein mehrlagiger Schichtverbund. Im Unterschied zum Tailored Blank oder Tailored Strip sind der erste Stahlwerkstoff und der (mindestens) zweite Stahlwerkstoff hier nicht flächig nebeneinander sondern schichtweise übereinander angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, die vorteilhaften Eigenschaften des ersten Stahlwerkstoffs und des (mindestens) zweiten Stahlwerkstoffs in dem gleichen Bereich miteinander zu kombinieren. Dies ist im Bereich der Fahrzeugkomponenten nicht nur bei Strukturkomponenten, sondern auch bei Außenhautanwendungen oder Fahrwerksanwendungen vorteilhaft. Unter einem mehrlagigen Schichtverbund wird dabei verstanden, dass zumindest zwei Schichten vorgesehen sind. Bevorzugt sind jedoch zumindest oder genau drei Schichten vorgesehen. Der Schichtverbund wird dabei bevorzugt mittels Warmwalzen oder Walzplattieren hergestellt. Eine Herstellung mittels eines Gießverfahrens ist ebenfalls denkbar.
  • Die Ausbildung des Halbzeugs als Tailored Blank oder Strip und die Ausbildung als Schichtverbund schließen sich dabei jedoch nicht aus, sondern sind auch miteinander kombinierbar. So ist es ebenfalls denkbar, ein Tailored Blank oder Strip vorzusehen, welches in einem oder mehreren Bereichen wie der beschriebene Schichtverbund aufgebaut ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs weist der Schichtverbund eine Kernschicht aus dem ersten Stahlwerkstoff und zumindest eine Deckschicht aus dem zweiten Stahlwerkstoff auf. Besonders bevorzugt weist der Schichtverbund dabei beidseitig der Kernschicht aus dem ersten Stahlwerkstoff jeweils eine Deckschicht aus dem zweiten Stahlwerkstoff auf. Durch die leichte Kernschicht und beispielsweise Deckschichten mit hoher Festigkeit kann eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht erreicht werden. Die Deckschichten können ebenfalls einen guten Oberflächenschutz bei trotzdem geringem Gewicht ermöglichen. Auch die Verwendung weiterer Schichten ist denkbar und ist nicht auf drei Schichten eingeschränkt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs weist der Schichtverbund eine Kernschicht aus dem zweiten Stahlwerkstoff und zumindest eine Deckschicht aus dem ersten Stahlwerkstoff auf. Besonders bevorzugt weist der Schichtverbund dabei beidseitig der Kernschicht aus dem zweiten Stahlwerkstoff jeweils eine Deckschicht aus dem ersten Stahlwerkstoff auf. Hierbei können bei geringem Geweicht beispielsweise eine hohe Duktilität bei moderater Festigkeit erreicht werden. Auch kann auf diese Weise vorteilhaft eine Fahrzeugkomponente mit hoher Festigkeit und gleichzeitig hoher Umformbarkeit erreicht werden. Auch in diesem Fall können die Deckschichten einen guten Oberflächenschutz bei trotzdem geringem Gewicht ermöglichen. Insbesondere wenn die Deckschichten über einen hohen Aluminiumanteil (FeAl- oder FeAlCr-Basis) verfügen, können gute Korrosionseigenschaften in den zu erzeugenden Bauteilen erreicht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist der (mindestens) zweite Stahlwerkstoff ein kalt- und/oder warmumformbarer Stahlwerkstoff. Bei einem kaltumformbaren Stahlwerkstoff kann eine kosteneffiziente Herstellung der Fahrzeugkomponente erfolgen. Wird hingegen ein warmumformbarer Stahlwerkstoff verwendet, können in der Regel komplexere Geometrien bei gleichzeitig hoher Härte durch Warmumformen und/oder Presshärten erreicht werden. Insofern ist es vorteilhaft, wenn das Halbzeug zumindest partiell presshärtbar ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist die Fahrzeugkomponente
    • – eine Strukturkomponente, beispielswiese eine Säule, insbesondere eine A-, B-, C- oder D-Säule, ein Träger, insbesondere ein Querträger oder ein Längsträger,
    • – eine Außenhautkomponente, beispielsweise eine Motorhaube, ein Dach oder eine Tür, oder
    • – eine Fahrwerkskomponente, beispielsweise ein Querlenker oder ein Achsträger,
    oder ein Teil hiervon.
  • Es hat sich gezeigt, dass die beschriebenen Halbzeuge insbesondere für Strukturkomponenten, aber auch für Außenhaut- und Fahrwerkskomponenten vorteilhaft einsetzbar sind und eine Gewichtsreduzierung ermöglichen. Das Halbzeug ist dann in Bezug auf die Geometrie (insbesondere Größe und Dicke) und die Anordnung der Werkstoffe auf die jeweilig herzustellende Fahrzeugkomponente und die erwünschten Eigenschaften maßgeschneidert.
  • Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, umfassend die Schritte:
    • – Bereitstellen eines ersten Stahlwerkstoffs und mindestens eines zweiten Stahlwerkstoffs, wobei der erste Stahlwerkstoff eine geringere Massendichte aufweist und der zweite Stahlwerkstoff eine höhere Massendichte aufweist und das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs höchstens 0,95 beträgt,
    • – form-, kraft-, und/oder stoffschlüssiges Verbinden der Stahlwerkstoffe miteinander zur Bildung eines Halbzeugs, insbesondere eines erfindungsgemäßen Halbzeugs, und
    • – Umformen des Halbzeugs zu einer Fahrzeugkomponente.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich somit zunutze, dass durch den ersten Stahlwerkstoff mit der geringeren Massendichte das Gewicht der aus dem Halbzeug hergestellten Fahrzeugkomponente reduziert werden kann. Gleichzeitig jedoch können durch den (mindestens) zweiten Stahlwerkstoff die bekannten vorteilhaften Eigenschaften der Fahrzeugkomponente weitestgehend aufrechterhalten werden. Vorteilhaft können dabei die Verfahrensschritte, um aus dem Halbzeug die Fahrzeugkomponente herzustellen, praktisch gleich bleiben, da das Halbzeug wie bisher gehandhabt und umgeformt werden kann. Insbesondere hat sich gezeigt, dass es möglich ist, geometrische Steifigkeitsänderungen, die zu Mehrgewicht führen würden, zu vermeiden. Diese Vorteile machen sich insbesondere bei der Herstellung von Fahrzeugkomponenten bemerkbar.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin den Schritt umfassen: Aufhaspeln des Halbzeugs. Insbesondere bei der Herstellung von Tailored Strips oder Verbundwerkstoffen kann das Halbzeug zunächst aufgehaspelt werden, um beispielsweise gelagert, transportiert und/oder einer Wärmebehandlung zugeführt zu werden. Anschließend kann das Halbzeug abgehaspelt werden und etwa nach einer Zuschnittoperation dem Umformen unterzogen werden.
  • Das Umformen umfasst beispielsweise eine Tiefziehoperation. Das Umformen kann insbesondere ein Warmumformen und Presshärten (direkte Warmumformung) oder zunächst ein Kaltumformen mit anschließenden Presshärten (indirekte Warmumformung) umfassen. Das heißt, das Halbzeug bzw. das endgeometrienahe ausgebildete Bauteil wird auf oder über die Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend im Umform- und Härtewerkzeug bzw. im Härtewerkzeug (bereichsweise) abgekühlt.
  • Der Schritt des Bereitstellens des ersten und/oder des mindestens zweiten Stahlwerkstoffs kann insbesondere auch den Schritt des Herstellens des Stahlwerkstoffs umfassen. Dabei kann beispielsweise bei der Herstellung des ersten Stahlwerkstoffs wie bereits beschrieben Aluminium und/oder weitere Legierungselemente zulegiert werden oder es können Partikel eingebracht/ausgeschieden werden, um die Reduzierung der Dichte zu erreichen.
  • Für weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Ausführungen zum beschriebenen Halbzeug verwiesen. Die dort beschriebenen Ausgestaltungen sollen ebenfalls für das Verfahren gelten.
  • Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente gelöst. Es hat sich herausgestellt, dass die beschriebenen Halbzeuge sich besonders gut zur Herstellung von Fahrzeugkomponenten eignen. Die Halbzeuge ermöglichen die Herstellung von Fahrzeugkomponenten mit geringem Gewicht bei gleichzeitig für die Fahrzeugkomponente maßgeschneiderten Eigenschaften, wie beispielsweise eine hohe Festigkeit, eine hohe Steifigkeit, eine hohe Duktilität und/oder ein guter Oberflächenschutz.
  • Gemäß einer vierten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch eine Fahrzeugkomponente hergestellt aus einem erfindungsgemäßen Halbzeug, insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, gelöst. Wie bereits ausgeführt, weisen die erfindungsgemäßen Fahrzeugkomponenten ein geringes Gewicht bei gleichzeitig für die Fahrzeugkomponente maßgeschneiderten Eigenschaften auf.
  • Für weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verwendung und der erfindungsgemäßen Fahrzeugkomponente wird auf die Ausführungen zum Halbzeug bzw. zum Verfahren verwiesen.
  • Die Erfindung soll im Folgenden anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
  • 1, 2 Draufsichten eines ersten und eines zweiten Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßer Halbzeuge jeweils in Form eines Tailored Blanks;
  • 3–6 Querschnittsansichten eines dritten bis sechsten Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßer Halbzeuge jeweils in Form eines mehrlagigen Schichtverbunds; und
  • 7 eine perspektivische schematische Ansicht einer Fahrzeugkarosserie mit unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten.
  • 1 zeigt zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbzeugs in Form eines Tailored Blanks 1a. Das Tailored Blank ist hier zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente geeignet. Die Fahrzeugkomponente ist hier eine B-Säule eines Kraftfahrzeugs. Hierzu umfasst das Tailored Blank einen ersten Bereich 2 aus einem ersten Stahlwerkstoff und einen zweiten Bereich 4 aus einem zweiten Stahlwerkstoff. Die beiden Stahlwerkstoffe sind in diesem Fall stoffschlüssig durch Schweißen (beispielsweise Laserschweißen) miteinander verbunden.
  • In 1 ist zudem schematisch der Bereich 6 dargestellt aus dem die die B-Säule durch umformen hergestellt wird. Der Bereich 6 wird beispielsweise durch eine Zuschneideoperation aus dem Tailored Blank ausgeschnitten. Wie zu erkennen ist, liegt der untere Teil der B-Säule im ersten Bereich 2 aus dem ersten Stahlwerkstoff und der obere Teil der B-Säule im zweiten Bereich 4 aus dem zweiten Stahlwerkstoff.
  • Der erste Stahlwerkstoff weist dabei eine im Vergleich zum zweiten Stahlwerkstoff geringere Massendichte auf, während der zweite Stahlwerkstoff eine im Vergleich zum ersten Stahlwerkstoff höhere Massendichte aufweist. Das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs beträgt hier höchstens 0,95.
  • Die geringere Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs im ersten Bereich 2 ist dabei dadurch erzeugt, dass dieser ein dichtereduzierter Stahl auf Basis einer Eisen-Aluminium-Basis-Legierung ist. Grundsätzlich ist aber ebenfalls denkbar, dass der erste Stahlwerkstoff durch das Einbringen und/oder Ausscheiden von Partikeln hergestellt wird. Hierzu werden beispielsweise Keramikpartikel eingebracht, wodurch insbesondere als erster Stahlwerkstoff auch ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff gebildet werden kann.
  • Der zweite Stahlwerkstoff im zweiten Bereich 4 besteht in diesem Fall aus einem Mangan-Bor-Stahl mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1500 MPa im Einsatzzustand, in diesem Beispiel im gehärteten Zustand. Die Legierungsbestandteile in Gew.-% des zweiten Stahlwerkstoffs sind dabei bevorzugt wie folgt begrenzt:
    C ≤ 0,5
    Si ≤ 0,7
    Mn ≤ 2,5
    P ≤ 0,025
    S ≤ 0,01
    Al ≥ 0,015
    Ti ≤ 0,05
    Cr + Mo ≤ 1,0
    B ≤ 0,05
    Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Im Ergebnis kann eine B-Säule bereitgestellt werden, mit welcher im Vergleich zu B-Säulen aus dem Stand der Technik im Bereich des Säulenfußes, welcher aus dem ersten Bereich 2 mit dem dichtereduzierten Stahlwerkstoff gebildet wird, 10 bis 20% des Gewicht eingespart werden können, was bis zu 10% des B-Säulengesamtgewichts ausmachen kann. Durch gezielte Prozessführung kann der erste Bereich 2 kalt- oder warmumgeformt werden.
  • 2 zeigt nun ein zweites Ausführungsbeispiel eines Halbzeugs 1b in Form eines Tailored Blanks. Im Unterschied zu 1 ist das Halbzeug 1b hier zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente in Form eines vorderen Längsträgers maßgeschneidert, welcher aus dem Bereich 6 gebildet wird. Das Halbzeug weist wiederum im ersten Bereich 2 einen wie beschriebenen ersten Stahlwerkstoff mit geringerer Dichte als der zweite Stahlwerkstoff im zweiten Bereich 4 auf. Im Unterschied zu 1 ist der zweite Stahlwerkstoff jedoch ein Dualphasenstahl. Die Legierungsbestandteile in Gew.-% des zweiten Stahlwerkstoffs sind dabei bevorzugt wie folgt begrenzt:
    C ≤ 0,23
    Si ≤ 0,8
    Mn ≤ 2,5
    P ≤ 0,08
    S ≤ 0,015
    Al ≤ 2,0
    Ti + Nb ≤ 0,15
    Cr + Mo ≤ 1,0
    B ≤ 0,005
    V ≤ 0,2
    Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Bei einem vorderen Längsträger werden sowohl hohe Anforderungen an die Festigkeit und Energieaufnahme gestellt, da dies das Crashverhalten positiv beeinflusst, als auch hohe Anforderungen an die Steifigkeit, da dies beispielsweise eine optimale Anbindung an den Motor ermöglicht. Durch das in 2 dargestellte Halbzeug 1b können diese beiden Anforderungen optimal erfüllt werden und gleichzeitig kann weiteres Leichtbaupotential erschlossen werden.
  • 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbzeugs 1c in Form eines mehrlagigen Schichtverbunds. Der Schichtverbund ist dreilagig aufgebaut und weist eine Kernschicht 8 und zwei äußere Deckschichten 10, 12 auf. Die Kernschicht besteht aus einem ersten wie beschriebenen dichtereduzierten Stahlwerkstoff. Die Deckschichten 10, 12 bestehen in diesem Fall aus dem zweiten Stahlwerkstoff in Form eines wie beschriebenen Mangan-Bor-Stahls mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1500 MPa im Einsatzzustand (gehärteten Zustand). In diesem Fall weisen die Deckschichten 10, 12 eine höhere Festigkeit auf als die Kernschicht 8. Dieser Aufbau liefert eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht. Der Schichtverbund kann insbesondere durch Warmumformung zu einer Fahrzeugkomponente umgeformt werden.
  • 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbzeugs 1d ebenfalls in Form eines mehrlagigen Schichtverbunds. Der Schichtverbund ist wiederum dreilagig aufgebaut und weist eine Kernschicht 8 und zwei äußere Deckschichten 10, 12 auf. Im Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel bestehen in diesem Fall die Deckschichten 10, 12 aus einem ersten wie beschriebenen dichtereduzierten ersten Stahlwerkstoff und die Kernschicht 8 aus einem zweiten Stahlwerkstoff in Form eines wie beschriebenen Mangan-Bor-Stahls mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1500 MPa im Einsatzzustand (gehärteten Zustand). In diesem Fall weist die Kernschicht 8 eine höhere Festigkeit auf als die Deckschichten 10, 12. Dieser Aufbau liefert eine hohe Duktilität bei moderater Festigkeit und geringem Gewicht. Zudem dienen die Deckschichten einem Oberflächenschutz, insbesondere wenn der Aluminiumanteil höher ist (FeAl-, FeAlCr-Basis). Der Schichtverbund kann insbesondere durch Warmumformung zu einer Fahrzeugkomponente umgeformt werden.
  • 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbzeugs 1e ebenfalls in Form eines mehrlagigen Schichtverbunds. Der Schichtverbund ist wiederum dreilagig aufgebaut und weist eine Kernschicht 8 und zwei äußere Deckschichten 10, 12 auf. Ähnlich dem dritten Ausführungsbeispiel besteht hier die Kernschicht 8 aus einem ersten wie beschriebenen dichtereduzierten Stahlwerkstoff. Die Deckschichten 10, 12 bestehen in diesem Fall aus dem zweiten Stahlwerkstoff, welcher hier ein sehr duktiler Tiefziehstahl mit einer Zugfestigkeit von etwa 270 bis 350 MPa und einer Bruchdehnung A80 von mindestens 38% ist. Die Legierungsbestandteile in Gew.-% des zweiten Stahlwerkstoffs sind dabei bevorzugt wie folgt begrenzt:
    C ≤ 0,08
    Mn ≤ 0,4
    P ≤ 0,030
    S ≤ 0,030
    Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Ein Halbzeug aus einem derartigen Schichtverbund ist insbesondere für Fahrzeugkomponenten im Bereich der Außenhautanwendungen geeignet (etwa Motorhauben, Dächer oder Türen), da dieser ein geringes Gewicht bei hoher Umformbarkeit mit einem guten Oberflächenschutz kombiniert. Der Schichtverbund kann dabei durch Kaltumformung zu einer Fahrzeugkomponente umgeformt werden.
  • 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbzeugs 1f ebenfalls in Form eines mehrlagigen Schichtverbunds. Der Schichtverbund ist wiederum dreilagig aufgebaut und weist eine Kernschicht 8 und zwei äußere Deckschichten 10, 12 auf. Ähnlich dem vierten Ausführungsbeispiel bestehen hier die Deckschichten 10, 12 aus einem ersten wie beschriebenen dichtereduzierten Stahlwerkstoff, vorzugsweise auf FeAl- oder FeAlCr-Basis. Die Kernschicht 8 besteht aus dem zweiten Stahlwerkstoff, welcher in diesem Beispiel aber ein Complexphasenstahl mit einer Zugfestigkeit von mindestens 750 MPa ist. Die Legierungsbestandteile in Gew.-% des zweiten Stahlwerkstoffs sind dabei bevorzugt wie folgt begrenzt:
    C ≤ 0,23
    Si ≤ 0,8
    Mn ≤ 2,20
    P ≤ 0,080
    S ≤ 0,015
    Al ≤ 2,00
    Ti + Nb ≤ 0,15
    Cr + Mo ≤ 1,20
    B ≤ 0,005
    V ≤ 0,2
    Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Ein Halbzeug aus einem derartigen Schichtverbund ist insbesondere zur Herstellung von Fahrzeugkomponenten im Bereich der Fahrwerksanwendungen geeignet (etwa für Querlenker oder Achsträger), da dieser eine hohe Festigkeit und Umformbarkeit mit einem verbesserten Oberflächenschutz kombiniert. Der Schichtverbund kann dabei insbesondere durch Kaltumformung zu einer Fahrzeugkomponente umgeformt werden.
  • 7 zeigt schließlich eine perspektivische schematische Ansicht einer Fahrzeugkarosserie 14 mit unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten, welche beispielhaft mit dem beschriebenen Halbzeug und Verfahren hergestellt werden können. So zeigt 7 exemplarisch A-Säulen 16, B-Säulen 18, C-Säulen 20, vordere Längsträger mit Crashboxen 22, einen Dachrahmen 24, Schweller 26 und Kotflügel 28 als Fahrzeugkomponenten.
  • Die erfindungsgemäßen Fahrzeugkomponenten sind nicht auf personenbefördernde Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern auf alle motorangetriebene Fahrzeuge, wie beispielsweise Nutzfahrzeuge aber auch für motorlose Fahrzeuge, wie beispielsweise Anhänger die von Sattelschlepper gezogen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • EP 2767602 A1 [0005]
    • EP 2767601 A1 [0005]

Claims (17)

  1. Halbzeug (1) zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente umfassend – einen ersten Stahlwerkstoff und – mindestens einen zweiten Stahlwerkstoff, wobei die Stahlwerkstoffe form-, kraft-, und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stahlwerkstoff eine geringere Massendichte aufweist und der zweite Stahlwerkstoff eine höhere Massendichte aufweist und das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs höchstens 0,95 beträgt.
  2. Halbzeug nach Anspruch 1, wobei das Halbzeug (1) auf die herzustellende Fahrzeugkomponente maßgeschneidert ist.
  3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die geringere Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs kleiner 7,5 g/cm3, insbesondere kleiner 7,0 g/cm3 ist.
  4. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Stahlwerkstoff ein dichtereduzierter Stahl auf Basis einer Eisen-Aluminium-Basis-Legierung ist und wobei die Eisen-Aluminium-Basis-Legierung vorzugsweise weniger als 30 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 20 Gew.-% Aluminium aufweist.
  5. Halbzeug nach Anspruch 4, wobei der erste Stahlwerkstoff ein korrosionsbeständiger Stahl auf FeAlCr-Basis ist.
  6. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Stahlwerkstoff durch Einbringen und/oder Ausscheiden von Partikeln hergestellt wird.
  7. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Stahlwerkstoff ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist.
  8. Halbzeug nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der erste Stahlwerkstoff ein Elastizitätsmodul von mehr als 220 GPa besitzt.
  9. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Halbzeug (1) ein Tailored Blank oder ein Tailored Strip ist.
  10. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Halbzeug (1) ein mehrlagiger Schichtverbund ist.
  11. Halbzeug nach Anspruch 10, wobei der Schichtverbund eine Kernschicht (8) aus dem ersten Stahlwerkstoff und zumindest eine Deckschicht (10, 12) aus dem zweiten Stahlwerkstoff aufweist.
  12. Halbzeug nach Anspruch 10, wobei der Schichtverbund eine Kernschicht (8) aus dem zweiten Stahlwerkstoff und zumindest eine Deckschicht (10, 12) aus dem ersten Stahlwerkstoff aufweist.
  13. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der zweite Stahlwerkstoff ein kalt- und/oder warmumformbarer Stahlwerkstoff ist.
  14. Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Fahrzeugkomponente – eine Strukturkomponente, beispielswiese eine Säule, insbesondere eine A-, B-, C- oder D-Säule, ein Träger, insbesondere ein Querträger oder ein Längsträger, – eine Außenhautkomponente, beispielsweise eine Motorhaube, ein Dach oder eine Tür, oder – eine Fahrwerkskomponente, beispielsweise ein Querlenker oder ein Achsträger, oder ein Teil hiervon ist.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines ersten Stahlwerkstoffs und mindestens eines zweiten Stahlwerkstoffs, wobei der erste Stahlwerkstoff eine geringere Massendichte aufweist und der zweite Stahlwerkstoff eine höhere Massendichte aufweist und das Verhältnis der geringeren Massendichte des ersten Stahlwerkstoffs zu der höheren Massendichte des zweiten Stahlwerkstoffs höchstens 0,95 beträgt, – form-, kraft-, und/oder stoffschlüssiges Verbinden der Stahlwerkstoffe miteinander zur Bildung eines Halbzeugs (1), insbesondere eines Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und – Umformen des Halbzeugs (1) zu einer Fahrzeugkomponente.
  16. Verwendung eines Halbzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung einer Fahrzeugkomponente.
  17. Fahrzeugkomponente hergestellt aus einem Halbzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere nach einem Verfahren nach Anspruch 15.
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