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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR ESTABLISHING AN INTEGRALLY BONDED CONNECTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/141777
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for establishing an integrally bonded connection (3) between a first semi-finished part (1) and a second semi-finished part (2).

Inventors:
PIERONEK DAVID (DE)
MYSLOWICKI DR STEFAN (DE)
QUELLER MARCO (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/052366
Publication Date:
August 09, 2018
Filing Date:
January 31, 2018
Export Citation:
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Assignee:
THYSSENKRUPP STEEL EUROPE AG (DE)
THYSSENKRUPP AG (DE)
International Classes:
B32B15/01; B62D29/00; B23K101/18
Domestic Patent References:
WO2009135779A12009-11-12
WO2006048034A12006-05-11
Foreign References:
DE102015114989B32016-09-29
US6413651B12002-07-02
DE102014008718B32015-02-19
DE102006047582A12008-04-10
US20120225313A12012-09-06
DE102014116695A12016-05-19
DE102008022709A12009-11-19
DE102015114989B32016-09-29
DE102009018577B32010-07-29
DE102005006606B32006-03-16
JPH03133630A1991-06-06
Other References:
THYSSENKRUPP: "tribond-Product information for high-strength and high ductile steel composite", March 2016 (2016-03-01), XP002779739, Retrieved from the Internet [retrieved on 20180319]
THYSSENKRUPP: "High strength and high ductility - tribond", July 2016 (2016-07-01), XP002779740, Retrieved from the Internet [retrieved on 20180319]
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung (3) zwischen einem ersten Halbzeug (1), umfassend mindestens eine erste Lage (1.1) aus einer Stahllegierung mit einem Gefüge, welches einen Austenitanteil von mindestens 15 Vol.-% aufweist, und mindestens einer zweiten Lage (1.2, 1.2') aus einer Stahllegierung, welche ein- oder beidseitig vollflächig und stoffschlüssig mit der ersten Lage (1.1) verbunden ist, wobei die zweite Lage (1.2, 1.2') aus einer weichen Stahllegierung mit einer Zugfestigkeit von maximal 580 MPa besteht, als Teil oder Bauteil mit mindestens einem zweiten Halbzeug (2) als Teil oder Bauteil aus einer Stahllegierung, wobei mittels eines Lötverfahrens das zweite Halbzeug (2) mit der zweiten Lage (1.2) des ersten Halbzeugs (1) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (1.1) aus einer manganhaltigen Stahllegierung, insbesondere einer TRIP-, TWIP- oder FeMn- Stahllegierung und die zweite (1.2, 1.2') Lage aus einer mikrolegierten Stahllegierung, aus einer IF-Stahllegierung oder aus einer Tiefzieh-Stahllegierung bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lage (1.2, 1.2') eine Materialdicke zwischen 0,2 % und 15 %, insbesondere zwischen 0,5 % und 10 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Halbzeugs aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (1) zwei zweite Lagen (1.2, 1.2'), die auf beiden Seiten der ersten Lage (1.1) angeordnet und mit dieser vollflächig und stoffschlüssig verbunden sind, umfasst.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (1) mittels Plattieren oder mittels Gießen hergestellt ist.

Description:
Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem ersten Halbzeug und einem zweiten Halbzeug.

Technischer Hintergrund

In der Automobilindustrie wird nach neuen Lösungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs gesucht. Leichtbau ist dabei ein wesentlicher Baustein, um das Fahrzeuggewicht senken zu können. Dies kann unter anderem durch den Einsatz von Werkstoffen mit gesteigerter Festigkeit erzielt werden. Mit dem Anstieg der Festigkeit nimmt in der Regel dessen Biegevermögen ab. Um trotz gesteigerter Festigkeit zur Realisierung von Leichtbau auch den bei crashrelevanten Bauteilen erforderlichen Insassenschutz zu gewährleisten, ist zu gewährleisten, dass die eingesetzten Werkstoffe die durch einen Crash eingeleitete Energie durch Deformation umwandeln können. Dies bedingt ein hohes Maß an Umformvermögen insbesondere in den crashrelevanten Bauteilen einer Fahrzeugstruktur. Eine Möglichkeit, Gewicht einzusparen, ist beispielsweise die Karosserie, Rahmen und/oder das Fahrwerk eines Fahrzeugs noch leichter, durch leichte und innovative Werkstoffe im Vergleich zu den konventionell eingesetzten Werkstoffen zu gestalten bzw. zu bauen. So können beispielsweise bauteilspezifisch konventionelle Werkstoffe durch leichtere Werkstoffe mit vergleichbaren Eigenschaften ersetzt werden. Beispielsweise finden immer mehr Hybridwerkstoffe oder Werkstoffverbunde Einzug in der Automobilindustrie, die aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sind, wobei jedes einzelne Material bestimmte Eigenschaften aufweist, im Verbund aber im Wesentlichen gegensätzliche Eigenschaften vereint werden, um verbesserte Eigenschaften im Werkstoffverbund im Vergleich zu den einzelnen, monolithischen Materialien bereit zu stellen. Werkstoffverbunde, insbesondere aus unterschiedlichen Stahllegierungen sind im Stand der Technik bekannt, siehe beispielsweise DE 10 2008 022 709 AI und DE 10 2015 114 989 B3.

Vorteilhafte Eigenschaften haben insbesondere Stahllegierungen mit einem Gefüge, welches einen bestimmten Austenitanteil aufweist, beispielsweise hochmanganhaltige Stahllegierungen mit hohen (Zug-)Festigkeiten (R m ) und hohen (Bruch-) Dehnungen (A 8 o), wodurch beispielsweise Bauteile mit komplexer Geometrie oder Bauteile für Crash relevante Bereiche zur Absorption der Energie im Falle eines Crashs hergestellt werden können. Derartige Stahllegierungen sind beispielsweise aus der WO 2006/048034 AI bekannt und können bei gleichbleibenden Eigenschaften dünner ausgelegt werden als konventionelle Stahllegierungen, wobei durch die Reduzierung der Materialdicke positiv Einfluss auf das Gesamtgewicht des Bauteils respektive des Fahrzeugs genommen werden kann. Derartige Stahllegierungen eignen sich daher hervorragend für die Automobilindustrie.

Stahllegierungen mit einem bestimmten Austenitanteil im Gefüge, insbesondere hoch- manganhaltige Stahllegierungen sind aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften jedoch nur bedingt, insbesondere mit einer Korrosionsschutzschicht auf Zinkbasis beschichtbar. Ein Beispiel zur Beschichtung von hochmanganhaltigen Stahllegierungen ist aus der DE 10 2009 018 577 B3 bekannt. Beispielsweise können auf Zinkbasis schmelztauch- beschichtete hochmanganhaltige Stahllegierungen zu einer wasserstoffinduzierten Rissbildung nach der Formgebung neigen. Des Weiteren sind Stahllegierungen mit einem bestimmten Austenitanteil im Gefüge auch nur bedingt thermisch fügbar, insbesondere lötbar, da sie zu starker Lotrissigkeit und unzulässigen Lötverbindungen nach DVS-Merkblatt 0938-2 führen, wie Untersuchungen im Rahmen des AiF-Forschungsvorhaben-Nr. 15.201 B / DVS- Nr. 1.058 gezeigt haben. Unter Löten wird ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Materialien/ Werkstoffen unter Zuhilfenahme eines insbesondere im Vergleich zu den verbindenden Materialien/Werkstoffen niedrigschmelzenden Werkstoffes (Lot) verstanden, wobei unter Wärme eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes, auch Schmelzlöten genannt, oder durch Diffusion eines Lotes an den Grenzflächen, auch Diffusionslöten genannt, entsteht und nach Erkalten der flüssigen Phase sich ein Stoffschluss zwischen den verbundenen Materialien/Werkstoffen ausbildet.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs l.

Erfindungsgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem ersten Halbzeug, umfassend mindestens eine erste Lage aus einer Stahllegierung mit einem Gefüge, welches einen Austenitanteil von mindestens 15 Vol.- % aufweist, und mindestens einer zweiten Lage aus einer weichen Stahllegierung, welche ein- oder beidseitig vollflächig und stoffschlüssig mit der ersten Lage verbunden ist, insbesondere nach Formgebung als Teil oder Bauteil, mit mindestens einem zweiten Halbzeug, insbeson- dere als Teil oder Bauteil aus einer Stahllegierung, insbesondere einer monolithischen Stahllegierung, wobei mittels eines Lötverfahrens das zweite Halbzeug mit der zweiten Lage des ersten Halbzeugs verbunden wird. Da die zweite Lage des ersten Halbzeugs besonders lötgeeignet ist und das zweite Halbzeug vorzugsweise aus einer gut lötbaren Stahllegierung, beispielsweise aus einer mikrolegierten Stahllegierung besteht, kann eine prozesssichere und stabile Lötverbindung zwischen den beiden Halbzeugen respektive Teilen oder Bauteilen erzeugt werden.

Die Erfinder haben festgestellt, dass durch das Vorsehen mindestens einer zweiten Lage aus einer weichen Stahllegierung, welche ein- oder beidseitig vollflächig und stoffschlüssig mit der ersten Lage aus einer Stahllegierung mit einem Gefüge, welches einen Austenitanteil von mindestens 15 Vol.-%, insbesondere mindestens 20 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 25 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 30 Vol.-% aufweist, verbunden ist, sichergestellt werden kann, dass zumindest einseitig, vorzugsweise beidseitig kein direkter respektive unmittelbarer Kontakt mit der ersten Lage möglich ist, so dass die zweite Lage aus einer weichen Stahllegierung als Funktionsschicht fungiert. Im Sinne der Erfindung weisen weiche Stahllegierungen (Zug-) Festigkeiten von maximal 580 MPa, insbesondere maximal 500 MPa, vorzugsweise maximal 450 MPa, besonders bevorzugt maximal 400 MPa auf. Die zweite Lage respektive die weiche Stahllegierung weist Eigenschaften auf, die sich besonders positiv hinsichtlich eines thermischen Lötens auszeichnen. Das erste Halbzeug kann somit in bestehende Standard-Prozesse integriert werden, ohne Änderungen in der Prozesskette vornehmen zu müssen. Die Löteignung wird maßgeblich durch die Eigenschaften an der Oberfläche des Halbzeugs bestimmt, die durch die zweite Lage als Funktionsschicht bereitgestellt werden. Die Stahllegierung mit einem Austenitgehalt von mindestens 15 Vol.-%, insbesondere mindestens 20 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 25 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 30 Vol.-% ist nicht auf Kohlenstoff-Stahllegierungen beschränkt, es sind auch nicht rostende Stahllegierungen denkbar, insbesondere Cr-Ni-Stahllegierungen.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens besteht die erste Lage vorzugsweise aus einer manganhaltigen Stahllegierung, insbesondere aus einer TRIP-, TWIP- oder FeMn-Stahl- legierung. Mangan ist ein Austenitbildner und -stabilisierer und hat insbesondere mit einem Gehalt von mindestens 2 Gew.-% positiven Einfluss auf die Festigkeit. Es führt bei hohen Gehalten zur Ausbildung von Härtungsgefügen (α'- und ε-Martensit) sowie zu TRIP-bzw. TWIP-fähigem Austenit und zu besonders guten Festigkeits-Umformbarkeits-Relationen. Oberhalb von beispielsweise 35,0 Gew.-% reduzieren sich diese Mechanismen der induzierten Plastizität und eine weitere kostenrelevante Zulegierung ist nutzlos. Mangan kann insbesondere bis maximal 30,0 Gew-% und beispielsweise mit mindestens 6,0 Gew.-%, insbesondere mit mindestens 10,0 Gew.-% zulegiert werden. Die erste Lage kann alternativ auch aus einer Q&P-Stahllegierung (quenching/partitioning) mit einem Restaustenitanteil von mindestens 15 Vol.-% im Gefüge bestehen. Die zweite Lage zur Bildung der einseitigen oder beidseitigen Funktionsschicht auf der ersten Lage besteht vorzugsweise aus einer mikrolegierten Stahllegierung, IF-Stahllegierung oder Tiefzieh-Stahllegierung, die ohne Aufwand einfach und konventionell gelötet werden können.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens weist die zweite Lage aus der weichen Stahllegierung eine Materialdicke zwischen 0,2 % und 15 %, insbesondere zwischen 0,5 % und 10 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Halbzeugs auf. Die als Funktionsschicht vorgesehene weiche Stahllegierung sollte in der Materialdicke derart bemessen sein, das zum Einen die positiven Eigenschaften der ersten Lage im Wesentlichen nicht negativ beeinflusst werden, wobei die Materialdicke der zweiten Lage (pro Seite) maximal 15 %, insbesondere maximal 10 %, vorzugsweise maximal 7 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Halbzeugs beträgt, und zum Anderen zu gewährleisten, dass die erste Lage nicht negativ insbesondere durch Diffusionsvorgänge infolge einer stoffschlüssigen Fügeverbindung beeinflusst wird, wobei die Materialdicke der zweiten Lage (pro Seite) mindestens 0,2 %, insbesondere mindestens 0,5 %, vorzugsweise mindestens 1 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Halbzeugs beträgt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist in der einfachsten Ausführung nur eine erste Lage mit einer einseitig verbunden zweiten Lage vorgesehen. Die freie Oberfläche der zweiten Lage ist vorzugsweise mit einer Korrosionsschutzschicht auf Zinkbasis beschichtet. Vorzugsweise umfasst das Halbzeug zwei zweite Lagen, die auf beiden Seiten der ersten Lage angeordnet und mit dieser vollflächig und stoffschlüssig verbunden sind, so dass ein Sandwichmaterial bereitgestellt werden kann, welches je nach Anwendung einen symmetrischen oder asymmetrischen Aufbau aufweisen kann. Beide freien Oberflächen der zweiten Lagen können mit einer Korrosionsschutzschicht, vorzugsweise auf Zinkbasis beschichtet sein.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist das Halbzeug mittels Plattieren, insbesondere Walzplattieren oder mittels Gießen hergestellt. Bevorzugt ist das erste Halbzeug mittels Warmwalzplattieren, wie es beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 10 2005 006 606 B3 offenbart ist, hergestellt. Es wird Bezug auf diese Patentschrift genommen, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Alternativ kann das erste Halbzeug mittels Gießen hergestellt werden, wobei eine Möglichkeit zu seiner Herstellung in der japanischen Offenlegungsschrift JP-A 03 133 630 offenbart ist. Die metallische Verbundherstellung ist im allgemeinen Stand der Technik.

Das erste Halbzeug wird, insbesondere nach einer Formgebung zu einem Teil oder Bauteil, für eine tragende Konstruktion verwendet. Als tragende Konstruktion kommen Rahmen, Hilfsrahmen beispielsweise im Fahrzeugbau (PKW, NFZ nebst Trailer) oder Eisenbahnbau, Schiffbau oder Luft- und Raumfahrt, aber auch im Baubereich, beispielsweise Pfeiler in Frage.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Figur 1) eine schematische Schnittdarstellung durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem ersten Halbzeug und einem zweiten Halbzeug.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In der einzigen Figur ist eine schematische Schnittdarstellung durch eine stoffschlüssige Verbindung (3) zwischen einem ersten Halbzeug (1) respektive Teil oder Bauteil und einem zweiten Halbzeug (2) respektive Teil oder Bauteil, die als Kehlnaht ausgebildet ist und mittels eines Lötverfahrens erzeugt wurde. Das Halbzeug (1) umfasst eine erste Lage (1.1) aus einer Stahllegierung mit einem Gefüge, welches einen Austenitanteil von mindestens 15 Vol.-%, insbesondere mindestens 20 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 25 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 30 Vol.-% aufweist, und insbesondere aus einer manganhaltigen Stahllegierung besteht, beispielsweise des Typs TWIP oder TRIP, besonders bevorzugt mit einem Mangangehalt zwischen 10 und 30 Gew.-%, und mindestens eine zweiten Lage (1.2) aus einer weichen Stahllegierung, welche einseitig vollflächig und stoffschlüssig mit der ersten Lage (1.1) verbunden ist. Alternativ kann die erste Lage auch aus einer Q&P-Stahllegierung mit einem Restaustenitanteil von mindestens 15 Vol.-%, bestehen. Strichliniert ist ein weitere zweite Lage (1.2') dargestellt, welche mit der zweiten Lage (1.2) die erste Lage (1.1) zwischen sich vollflächig und stoffschlüssig aufnehmen. Die zweite Lage (1.2, 1.2') aus einer weichen Stahllegierung weist eine Festigkeit von maximal 500 MPa auf, wobei sie insbesondere aus einer mikrolegierten Stahllegierung bestehen kann, beispielsweise des Typs HX340LAD. Die Materialdicke der zweiten Lage (1.2, 1.2') ist insbesondere pro Seite derart bemessen, dass die positiven Eigenschaften der ersten Lage (1.1) im Wesentlichen nicht negativ beeinflusst werden, wobei die Materialdicke der zweiten Lage (pro Seite) mindestens 0,2 % und maximal 15 % bezogen auf die Gesamtmaterialdicke des Halbzeugs (1) beträgt, wobei das Halbzeug (1) beispielsweise eine Gesamtmaterialdicke zwischen 0,5 und 4 mm aufweisen kann. Da die zweite Lage (1.2, 1.2') des Halbzeugs beschicht- und lötgeeignet ist, weist die freie Oberfläche der zweiten Lage (1.2) eine Korrosionsschutzschicht auf Zinkbasis auf. Das Halbzeug (1) ist über die zweite Lage (1.2) mit dem zweiten Halbzeug (2) über eine Löt-Kehlnaht (3) verbunden. Die Korrosionsschutzschicht auf Zinkbasis kann zur besseren Benetzung bzw. zu einem besseren Benetzungswinkel der Lötverbindung beitragen.

Die Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel sowie auf die Ausführungen in der allgemeinen Beschreibung beschränkt, vielmehr kann das erste Halbzeug auch aus einem Tailored Product, beispielsweise einem Tailored Blank und/oder Tailored Rolled Blank gebildet sein. Auch das zweite Halbzeug, welches mit dem ersten Halbzeug mittels eines Lötverfahrens thermisch gefügt wird, kann auch als Werkstoffverbund, insbesondere dem ersten Halbzeug entsprechen, und kumulativ oder alternativ als Tailored Product ausgebildet sein.