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Dokumentenidentifikation DE69329457T2 23.05.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0630417
Titel HOCHSTARKE STAHLDREHSTABILISATORTEILE UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG
Anmelder Consolidated Metal Products, Inc., Cincinnati, Ohio, US
Erfinder GALLAGHER, M., Hugh, Cincinnati, US
Vertreter P. Meissner und Kollegen, 14199 Berlin
DE-Aktenzeichen 69329457
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.03.1993
EP-Aktenzeichen 939072906
WO-Anmeldetag 09.03.1993
PCT-Aktenzeichen US9302054
WO-Veröffentlichungsnummer 9318189
WO-Veröffentlichungsdatum 16.09.1993
EP-Offenlegungsdatum 28.12.1994
EP date of grant 20.09.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2001
IPC-Hauptklasse C21D 9/02
IPC-Nebenklasse C21D 8/00   F16F 1/14   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Swaybars genannten Stabilisatorstäben bzw. Drehstabilisatorteilen aus hochfestem Stahl zur Stabilisierung der Karosserie von Kraftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren - zum Kaltformen eines Rohlings aus hochfestem Stahl zu einem Drehstabilisatorteil mit vorbestimmter geometrischer Konfiguration (d. h. Form) und Körnern mit bevorzugter Orientierung oder Textur.

Hintergrund der Erfindung

Drehstabilisatorteile dienen dazu, die Karosserie eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen zu stabilisieren. Beispielsweise werden Drehstabilisatoren dazu verwendet, seitliches Neigen infolge der Trägheit eines Fahrzeugs, das gerade um eine Kurve fährt, zu verhindern. Damit der Drehstabilisatorteil seine Funktion richtig erfüllt, ist es wichtig, dass er aus hochfestem Stahl mit hohem Elastizitätsmodul (Steifigkeit) besteht. Bekannte Drehstabilisatorteile sind u. a. in den US-Patenten 2.961.253, 3.218.053 und 3.315.952 beschrieben.

Stahldrehstabilisatorteile wurden bislang durch Heißschmieden von Stahlrohlingen zur gewünschten Form ausgebildet (siehe US-Patent 4.365.824). Heißschmiedeverfahren sind auf dem Gebiet allgemein bekannt. Beim typischen Heißschmieden wird der zur Erzeugung des Drehstabilisatorteils verwendete Stahlrohling anfänglich deutlich auf über die Rekristallisationstemperatur des Stahls bis auf etwa 1.100ºC (2.000ºF) und mehr erhitzt. Bei dieser Temperatur wird der Stahlrohling zu einem Drehstabilisatorteil geschmiedet. Sobald die endgültige Form des Drehstabilisatorteils erhalten wurde, werden die mechanischen Eigenschäften des fertigen Drehstabilisatorteils entweder durch anschließendes Normalisieren oder ein Quench- und Temperverfahten erzielt (dies hängt vom verwendeten Stahl und den gewünschten mechanischen Endeigenschaften ab). Das Heißschmieden eines Stahlrohlings zur endgültigen Form führt zu einem Stahl mit wahllos orientierten Körnern.

Bei der während des Heißschmiedens erzielten Temperatur kann es zu starkem Zundern und Entkohlung des Stahls kommen. Da der Zunder und entkohlte Oberflächen entfernt werden müssen, um den Fertigen Teil zu erhalten, führen einige bekannte Heißschmiedeverfahren zur Verschwendung einer bestimmten Materialmenge und somit zu höheren Kosten infolge zusätzlicher Bearbeitungsschritte, die zur Entfernung des Zunders erforderlich sind. Außerdem ist das Heißschmieden aufgrund der beim Erhitzen des Stahlrohlings auf die Schmiedetemperatur verbrauchten Energie kostspielig. Die Fertigungskosten steigen noch mehr an, wenn die Quench- und Temperschritte durchgeführt werden, da sich der Energieverbrauch während des Austenitisierens und Temperns erhöht und da zusätzliche Kosten durch weitere Verfahrensschritte entstehen.

Die US-A-4.365.824 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Drehstabilisatoren, doch der verwendete Stahl wird heißgeformt und ist weder hochfester Stahl noch unterliegt er den die Zusammensetzung betreffenden Einschränkungen gemäß Anspruch 1.

Die deutsche Patentanmeldung 3.4341743 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung stangenähnlicher Maschinenteile durch Heißwalzen von Stahl bei einer Temperatur von 800ºC bis 1.150ºC und anschließende Durchführung eines gesteuerten Kühlvorgangs. Die gewalzten und abgekühlten Stäbe können dann nach einem Kaltformverfahren endbearbeitet werden, um ihre Randbereiche zu formen oder mit Gewinde zu versehen.

Die US-A-3.904.445 offenbart die Fertigung von Stangenmaterial, insbesondere U- Bolzen, aus hochfestem Stahl. Sie offenbart keine Drehstabilisatorteile, die zur Verwendung in Autokarosserien herangezogen und auf diese Weise hergestellt werden können.

Die US-A-3.720.087 beschreibt ein Verfahren zum Biegen von Stangen oder Stäben zu einer gewünschten Endkrümmung oder geraden Form, indem der Stahl bei einer Temperatur im Bereich von 300ºF-900ºF (148,9ºC-484,2ºC) gebogen wird. Dieses Verfahren wird als Warmrichten bezeichnet. Es werden Beispiele für Stahlzusammensetzungen angeführt, von denen keine Vanadium enthält. Die als Beispiele angeführten Stähle besitzen anfängliche Zugfestigkeiten von 150.000 psi (1.034 MPa) und Streckgrenzen von 140.000 oder 120.000 psi (827 MPa).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drehstabilisatorteils zur Stabilisierung der Karosserien von Kraftfahrzeugen aus hochfestem Stahl, das gemäß der Erfindung die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Rohlings aus hochfestem Stahl, wobei der Stahl eine Streckgrenze von zumindest 621 MPa (90.000 psi), eine Zugfestigkeit von zumindest 827 MPa (120.000 psi), einen Kohlenstofffgehalt von 0,30 bis 1,0 Gew.-% und einen Vanadiumgehalt von zumindest 0,03º,03% aufweist, sowie dauerhaftes Verformen eines Segments des Rohlings bei Umgebungstemperatur, um einen Drehstabilisatorteil mit vorbestimmter geometrischer Konfiguration, zumindest einer Biegung im Segment und deformierten Körnern mit bevorzugter Orientierung entlang zumindest des Segments bereitzustellen, wobei die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Segments des Drehstabilisatorteils im Wesentlichen gleich wie oder höher als jene des Rohlings sind und kein zusätzlicher, Festigkeit verleihender Schritt erforderlich ist.

Das Verfahren zur Herstellung von Drehstabilisatoren aus hochfestem Stahl durch Kaltformen eines Rohlings aus hochfestem Stahl führt dazu, dass die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Drehstabilisators im Wesentlichen gleich wie oder höher als jene des Rohlings sind. Der Drehstabilisatorteil mit gewünschter Streckgrenze und Zugfestigkeit wird ohne weitere Festigkeit verleihende Schritte erzeugt.

Zumindest ein Abschnitt des Segments des Rohlings wird kaltgeformt, wodurch das entsprechende Segment des resultierenden Drehstabilisators höhere Festigkeit erhält. Diese zusätzliche Festigkeit trägt dazu bei, den Drehstabilisatorteil in seiner vorbestimmten geometrischen Konfiguration zu halten. Die geformten Abschnitte des Drehstabilisators weisen demnach einen zusätzlichen Festigungsmechanismus (d. h. Kalthärtung) auf, um ihre Form zu bewahren.

Der Drehstabilisatorteil besitzt Stahlkörner mit bevorzugter Orientierung oder Oberflächentextur zumindest entlang des Abschnitts oder Segments des Drehstabilisators. In einer Ausführungsform besitzen die Stahlkörner entlang einer wesentlichen Länge des Stabs oder sogar entlang der gesamten Stablänge eine bevorzugte Orientierung. Es ist vorzuziehen, dass diese Oberflächentextur im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Drehstabilistors verläuft, um entlang der Achse für zusätzliche Festigkeit zu sorgen.

Im Gegensatz zu bekannten Drehstabilisatorteilen aus warmgeschmiedetem Stahl mit wahllosen Kornstrukturen bestehen die Drehstabilisatoren der Erfindung aus hochfestem Stahl mit Körnern mit bevorzugter Orientierung oder Textur. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Fertigung von Drehstabilisatoren aus hochfestem Stahl aus einem Stahlrohling, der die gewünschten hochfesten Eigenschaften besitzt. Dieses Verfahren umfasst das Kaltformen des Rohlings zu einem Drehstabilisatorteil, das dazu führt, dass die Streckgrenze und Zugfestigkeit, des Drehstabilisators im wesentlichen gleich wie oder höher als jene des Rohlings sind. Gemäß dem Verfahren kann der Stahlrohling jede vorher gegebene Textur beibehalten und/oder anschließend eine andere Textur verliehen bekommen; ferner kann der Drehstabilisatorteil ohne zusätzliche Verarbeitungsschritte gefertigt werden.

Die Grundsätze, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Drehstabilisators;

Fig. 1A ist eine vergrößerte metallographische Ansicht entlang eines Längsabschnitts der eingekreisten Fläche aus Fig. 1 und zeigt Stahlkörner mit bevorzugter Orientierung;

Fig. 2 ist eine vergrößerte metallographische Querschnittsansicht eines vergleichbaren Segments eines warmgeschmiedeten Drehstabilisators des Stands der Technik und zeigt Stahlkörner mit wahlloser Orientierung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Drehstabilisatoren mit einer Vielzahl unterschiedlicher geometrischer Konfigurationen. Eine solche Konfiguration ist in Fig. 1 dargestellt. Der Drehstabilisatorteil 10 besitzt eine vorbestimmte geometrische Konfiguration (siehe Figur) mit einer Längsachse 12. Der Drehstabilisatorteil 10 besteht aus hochfestem Stahl mit Stahlkörnern 1 S. die eine bevorzugte Orientierung oder Textur aufweisen. Vorzugsweise liegen die Stahlkörner 15 des Drehstabilisators im Wesentlichen parallel zur Längsachse 12 (siehe Fig. 1A).

Die gemäß einer bevorzugten Durchführungsweise gefertigten Drehstabilisatoren werden aus Rohlingen aus hochfestem Stahl erzeugt, die Körner mit einer Textur aufweisen, die parallel zur Längsachse des Rohlings verläuft, sodass die Orientierung dieser texturierten Körner im Wesentlichen parallel zur Längsachse des resultierenden Drehstabilisators nach dem Kaltformen verläuft. In einer alternativen Ausführungsform bestehen die Drehstabilisatoren aus Rohlingen aus hochfestem Stahl mit Körnern mit wahlloser Orientierung, sodass nur die Körner, die während des Formvorgangs (d. h. vom Rohling zum Drehstabilisator) verformt werden, texturiert sind.

Die Drehstabilisatoren werden aus Rohlingen aus hochfestem Stahl mit einer Streckgrenze von zumindest etwa 621 MPa (90.000 psi), vorzugsweise zumindest etwa 827 MPa (120.000 psi), insbesondere zumindest etwa 1.034 MPa (150.000 psi), gefertigt. Solche Rohlinge werden dann bei Umgebungstemperatur, die unter der Rekristallisationstemperatur des Stahls liegt, zu Drehstabilisatoren mit vorbestimmten geometrischen Konfigurationen kaltgeformt. Dadurch wird die schädliche Rekristallisation vermieden. Das Formen (d. h. dauerhafte Verformen) des Rohlings bei Umgebungstemperatur, wobei vollständige Rekristallisation verhindert wird, führt zu einem Drehstabilisatorteil mit Stahlkörnern mit bevorzugter Orientierung oder Textur. In einer bevorzugten Ausführungsform liefert das Verfahren zur Fertigung von Drehstabilisatorteilen aus hochfestem Stahl einen Rohling aus hochfestem Stahl mit der oben angeführten Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie einer bevorzugten Orientierung, die parallel zur Längsachse des Rohlings verläuft.

Der hochfeste Stahl kann z. B. folgende in Gew.-% angegebene Zusammensetzung aufweisen:

Kohlenstoff etwa 0,30 bis etwa 1%

Mangan etwa 2,0 bis etwa 2,5%

Vanadium 0,03 bis 0,35%

Eisen Rest.

In einer bevorzugteren Form besitzt der hochfeste Stahl die folgende in Gew.-% angegebene Zusammensetzung:

Kohlenstoff etwa 0,50 bis etwa 0,55%

Mangan etwa 2,0 bis etwa 2,5%

Vanadium etwa 0,03 bis etwa 0,15%

Eisen Rest.

In den obigen Zusammensetzungen können Niob, Silizium und Aluminium zur Gänze oder teilweise an die Stelle von Vanadium treten; Vanadium ist jedoch aus Gründen der Festigkeit und Duktilität bevorzugt.

Wenn der Rohling zum Drehstabilisatorteil der Erfindung kaltgeformt wird, sind die Streckgrenze und Zugfestigkeit der gebogenen Segmente des Drehstabilisatorteils im Wesentlichen gleich wie oder höher als jene des Rohlings; es ist kein nachfolgender Glühschritt erforderlich. Wenn der Rohling zu einem Drehstabilisatorteil kaltgeformt wird, benötigt der so erzeugte Drehstabilisatorteil keine weitere Festigung.

Der Rohling aus hochfestem Stahl, der im Verfahren der Erfindung als Ausgangsprodukt verwendet wird, wird einem beliebigen auf dem Gebiet bekannten Verfahren erzeugt. In einer Ausführungsform wurde der hochfeste Stahl des Rohlings, der zur Fertigung der erfindungsgemäßen Drehstabilisatorteile verwendet wird, Heißwalzen und Kaltziehen unterzogen, um einen Rohling mit der oben angegebenen Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie Körnern mit bevorzugter Orientierung parallel zur Längsachse des Rohlings zu liefern. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist in der US-A-3.904.445 geoffenbart.

Diese Patentanmeldung offenbart eine Verarbeitungsabfolge zur Fertigung von hochfestem Stangenmaterial, das sich besonders zur Herstellung von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen einschließlich U-Bolzen eignet. Im geoffenbarten Verfahren wird ein Stahl, dessen Zusammensetzung in bestimmte angeführte Bereiche fällt, einem herkömmlichen Heißwalzvorgang auf 10-15% Enddicke unterzogen. Das heißgewalzte Stangenmaterial wird dann geschnitten oder in einzelne Längen zerlegt, um raschem Luftkühlen unterzogen zu werden. Zu diesem Zeitpunkt besitzt das erzeugte Stangenmaterial eine feinkörnige Struktur von etwa ASTM Nr. 5-8, wobei die Körner wahllos orientiert sind. Anschließend werden die einzelnen Längen des heißgewalzten Stangenmaterials bis zur Enddicke einem Kaltformverfahren unterzogen. Der letzte Schritt ist ein gesteuerter Spannungsfreiglühschritt zur Minderung der Restspannung infolge des kalten Endbearbeitens. Der Spannungsfreiglühschritt übt einen relativ geringen Enfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Metalls aus. Dieser Spannungsfreiglühschritt umfasst das Erhitzen von Längen des Stangenmaterials auf etwa 260ºC-454ºC (500ºF-800ºF) über den Zeitraum etwa einer Stunde, muss aber nicht durchgeführt werden. Somit kann ein solches Stangenmaterial dazu dienen, den Ausgangsrohling aus hochfestem Stahl zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drehstabilisators zu formen.

Die meisten im Handel erhältlichen Stähle sind polykristallin (d. h. bestehend aus vielerlei Kristallen oder Körnern). Jeder Kristall oder jedes Korn besitzt Metallatome, die in einem Muster angeordnet sind, das sich im Allgemeinen im gesamten Korngefüge (d. h. der Kristallstruktur) wiederholt. Die Körner eines Stahlteils können wahllos orientiert sein, eine bevorzugte Orientierung besitzen oder eine Kombination davon - dies hängt von einigen Faktoren wie z. B. der Temperatur des Stahlformens ab. Ein Stahl ist heißgeformt, wenn er plastisch oder dauerhaft über seiner Rekristallisationstemperatur verformt wird. Beim Heißformen wird der Stahl im Allgemeinen auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur vorerhitzt, bevor er dauerhaft verformt wird. Das Kaltformen erfolgt im Allgemeinen bei Raum-, d. h. Umgebungs-, Temperatur.

Stahl, der z. B. durch Heißschmieden heißgeformt wird, besitzt Körner 18 mit wahllosen Orientierungen (siehe Fig. 2). Die Orientierung der Kristallstruktur jedes Korns unterscheidet sich von Korn zu Korn. Eine solche wahllose Orientierung führt typischerweise dazu, dass die mechanischen Eigenschaften des Stahls isotrop (d. h. in allen Richtungen gleich) sind. Im Gegensatz dazu bewirkt das Kaltformen von Stahl, dass sich die Kristallstruktur der betroffenen Stahlkörner (d. h. der dauerhaft verformten Stahlkörner) gemäß ihrer Verformung orientiert (d. h. in einer bevorzugten Orientierung), was im Allgemeinen dazu führt, dass die mechanischen Eigenschaften zumindest des verformten Stahlabschnitts anisotrop sind. Das Formen oberhalb der Rekristallisationstemperatur verhindert nicht nur die Ausbildung texturierter Körner, sondern eliminiert auch jegliche bereits bestehende Textur. Texturierte Körner sind in Richtung der bevorzugten Orientierung fester (d. h. sie besitzen einen höheren Elastizitätsmodul) als Körner mit wahlloser Orientierung. Beispielsweise bewirkt das Kaltwalzen oder Extrudieren eines Rohlings aus Stahlstangenmaterial, dass sich die Körner der Stahlstange ausdehnen und in eine bevorzugte Orientierung, die parallel zur Längsachse des Stangenmaterials verläuft (siehe Fig. 1A), umorientieren. Eine solche Orientierung führt dazu, dass die Stange entlang ihrer Längsachse am festesten ist. Daher ist ein Formvorgang wünschenswert, der den Körnern aus hochfestem Stahl entweder Textur verleiht oder bereits texturierte Körner intakt lässt. Das Kaltformen bewahrt nicht nur die bereits bestehenden texturierten Körner, es verleiht auch zusätzliche Textur.

Da das Kaltformen den Stahl an der Stelle der Dauerverformung festigen kann, kann sogar ein Rohling oder eine Stahlstange mit anfangs wahllos orientierten Körnern durch Kaltformen im dauerhaft verformten Abschnitt oder Segment gefestigt werden. Ein Stahlstab oder ein. Rohling mit wahlloser Kornorientierung, der durch Kaltformen dauerhaft gebogen wird, kann entlang der Biegung fester sein als an jedem anderen Punkt seiner Länge. Ebenso kann ein Stahlstab mit Körnern mit bevorzugter Orientierung parallel zur Längsachse des Stabs, der durch Kaltformen dauerhaft gebogen wird, entlang der Biegung stärker sein als an jedem anderen Punkt seiner Länge. Beim Biegen des Stabs werden die texturierten Körner des Stahlstabs entlang der Längsachse ebenfalls gebogen (siehe Fig. 1A). Für jeden Dauerverformungsgrad jedoch übt das Kaltformen einen größeren festigenden Einfluss aus als das Heißformen.

Aus der obigen Offenbarung der allgemeinen Grundsätze der Erfindung und der ausführlichen Beschreibung davor ergibt sich für Fachleute auf dem Gebiet unmissverständlich, dass zahlreiche Modifikationen der Erfindung möglich sind. Die Erfindung ist daher nur durch den Umfang der folgenden Patentansprüche eingeschränkt.


Anspruch[de]

(gemäß dem im Zuge der mündlichen Verhandlung 5/2/99 vorgelegten Hauptantrag)

1. Verfahren zur Herstellung eines Drehstabilisatorteils zur Stabilisierung der Karosserien von Kraftfahrzeugen aus hochfestem Stahl, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Rohlings aus hochfestem Stahl, wobei der Stahl eine Streckgrenze von zumindest 621 MPa (90.000 psi), eine Zugfestigkeit von zumindest 827 MPa (120.000 psi), einen Kohlenstoffgehalt von 0,30 bis 1,0 Gew.-% und einen Vanadiumgehalt von zumindest 0,03% aufweist, sowie dauerhaftes Verformen eines Segments des Rohlings bei Umgebungstemperatur, um einen Drehstabilisatorteil mit vorbestimmter geometrischer Konfiguration, zumindest einer Biegung im Segment und verformten Körnern mit bevorzugter Orientierung entlang zumindest des Segments bereitzustellen, wobei die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Segments des Drehstabilisatorteils im Wesentlichen gleich wie oder höher als jene des Rohlings sind und kein zusätzlicher, Festigkeit verleihender Schritt erforderlich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der hochfeste Stahl des Rohlings Heißwalzen und Kaltziehen unterzogen wurde.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der hochfeste Stahl in Gew.-% Folgendes umfasst:

Mangan 0,30 bis 2,5%,

Vanadium 0,03 bis 0,35ºh,

Eisen Rest.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Stahl 0,50 bis 0,55% Kohlenstoff, 2,0 bis 2,5% Mangan und 0,03 bis 0,15% Vanadium umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, worin das über 0,03% hinausgehende Vanadium zumindest teilweise durch Niob, Silizium oder Aluminium ersetzt ist.







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