Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen dreilagigen Verbundwerkstoff in Form eines Blechs oder Bands mit einer am Verbundwerkstoff eine mittlere Lage bildenden, ersten Kernschicht, aufweisend einen ersten Stahlwerkstoff, und mit einer zweiten Plattierschicht, aufweisend einen zum ersten Stahlwerkstoff unterschiedlichen zweiten Stahlwerkstoff, und mit einer dritten Plattierschicht, aufweisend einen zum ersten Stahlwerkstoff unterschiedlichen dritten Stahl Werkstoff, wobei die zweite und dritte Plattierschicht auf gegenüberliegenden Seiten der Kernschicht walzplattiert vorgesehen sind und die äußeren beiden Lagen am Verbundwerkstoff ausbilden, wobei bei gleichbleibender Dicke des Verbundwerkstoffs die Kernschichtdicke des ersten Stahlwerkstoffs der Kernschicht über die Breite des Verbundwerkstoffs variiert.

Stand der Technik

Um einem dreilagigen Verbundwerkstoff über seine Breite unterschiedliche mechanische und/oder technologische Eigenschaften zu geben, ist es aus dem Stand der Technik bekannt (DE10258824B2, EP2613896B1 ), über die Breite der Kernschicht des Verbundwerkstoffs abwechselnd unterschiedliche Stahl Werkstoffe vorzusehen, um damit zumindest die Kernschichtdicke eines Stahl Werkstoffs der Kernschicht über die Breite des Verbundwerkstoffs zu variieren. Hierfür werden verschiedenste Stahlbänder nebeneinander angeordnet, die zwischen zwei Plattierlagen vorgesehen durch ein gemeinsames Walzplattierverfahren gefügt werden. Die Plattierlagen können eine zu den Stahlbändern des Kerns unterschiedliche Stahllegierung aufweisen. Nachteilig hat sich herausgestellt, dass trotz eines Fügens durch Walzplattieren eine unerwartet schwache Verbindung zwischen den aneinanderstoßenden Stahlwerkstoffen in der Kernschicht auftreten kann. Mit einer unbefriedigenden mechanischer Belastbarkeit des Verbundwerkstoffs ist sohin zu rechnen. Derartige Verbundwerkstoffe sind daher für eine Fahrzeugstruktur, insbesondere Karosseriestruktur, nicht bzw. nur bedingt geeignet.

Mit einer geeigneten Legierungsauswahl bei den Stahlwerkstoffen und/oder einem engen Prozessfenster beim Walzplattieren kann versucht werden, diesen Nachteilen entgegenzuwirken, womit sich jedoch die Herstellkosten des Verbundwerkstoffs erhöhen oder auch dessen universelle Verwendbarkeit reduzieren kann.

Zudem sind aus dem Stand der Technik fünflagige Verbundwerkstoffe bekannt (DE1020141 14365A1 ), die zwischen einer Kernschicht aus einem Stahl Werkstoff hoher Festigkeit und außenliegenden Plattierschichten aus einem Stahlwerkstoff niedriger Festigkeit je eine Zwischenschicht aus mehreren Stahlwerkstoffen unterschiedlicher Festigkeit aufweisen. Ein derartiger fünfschichtiger Verbundwerkstoff ist vergleichsweise aufwendig walzplattierbar und damit kostenintensiv. Ebenso bedarf dieser bei seiner weiteren Verwendung beim Formhärten engen Prozessfenstern, was eine nachteilige Auswirkung auf die Handhabung des Verbundwerkstoffs hat.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen durch Walzplattieren hergestellten dreischichtigen Verbundwerkstoff mit einer variierenden Kernschichtdicke der eingangs geschilderten Art derart zu verändern, dass dieser durch seine hohe mechanische Belastbarkeit für eine Fahrzeugstruktur verlässlich geeignet ist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass sich der erste Stahlwerkstoff der Kernschicht durchgehend über die gesamte Breite des Verbundwerkstoffs erstreckt und formhärtbar ist, wobei der zweite und/oder dritte Stahlwerkstoff der Plattierschichten in der Plattierschichtdicke der Variation der Kernschichtdicke gegensinnig folgt sowie einen zum ersten Stahl Werkstoff geringeren Kohlenstoffgehalt aufweist. Erstreckt sich der erste Stahlwerkstoff der Kernschicht durchgehend über die gesamte Breite des Verbundwerkstoffs und ist dieser formhärtbar, kann damit in der Kernschicht eine Zone geschaffen werden, die in der Art einer Kernsehne wenigstens ein Mindestmaß an mechanischer Belastbarkeit am Verbundwerkstoff sicherstellen kann. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann daher verlässlich geforderte mechanische Belastbarkeiten erfüllen, die beispielsweise von Bauteilen für eine Fahrzeugstruktur vorliegen. Da zudem diese formhärtbare Kernsehne einen reduziert festen Verbund - wie dieser beispielsweise im Stand der Technik an den Stoßfläche von nebeneinander vorgesehenen Stahlwerkstoffen auftritt - per se ausschließt, kann ohne Bedenken der Verbundwerkstoff auch einem Walzplattieren unterworfen werden, wenn hierfür der zweite und/oder dritte Stahl Werkstoff der Plattierschichten in der Plattierschichtdicke der Variation der Kernschichtdicke gegensinnig folgt sowie einen zum ersten Stahl Werkstoff geringeren Kohlenstoffgehalt aufweist. Über Letztgenanntes kann zudem das duktile Verhalten des Verbundwerkstoffs eingestellt werden - was der vielseitigen Anwendbarkeit des Verbundwerkstoffs förderlich sein kann. Zudem kann durch den gegensinnig folgenden Dickenausgleich des zweiten und/oder dritten Stahlwerkstoffs eine gleichbleibende Dicke des Verbundwerkstoffs gewährleistet bleiben, was sich auf weitere Formgebungsverfahren am Verbundwerkstoff positiv auswirken kann. Insbesondere kann dies beim Formhärten bzw. Presshärten des Verbundwerkstoffs aufgrund des im Wesentlichen gleichen E-Moduls über die Breite des Verbundwerkstoffs ein reproduzierbar herstellbares Bauteil garantieren.

Der Verbundwerkstoff kann weiter verbessert werden, wenn der zweite und dritte Stahlwerkstoff der Plattierschichten in ihren Plattierschichtdicken der Variation der Kernschichtdicke gegensinnig folgen.

Vorzugsweise ist die Kernschicht symmetrisch aufgebaut, wodurch sich der Verbundwerkstoff beim Formhärten bzw. Presshärten durch seine einfache Handhabbarkeit auszeichnen kann. Vorzugsweise ist der Kohlenstoffgehalt der Stahlwerkstoffe von Kernschicht und von den beiden Plattierschichten kleiner 0,8 Masse-%.

Eine besonders mechanisch standfeste Kernschicht kann geschaffen werden, wenn der erste Stahlwerkstoff eine höherfest formhärtbare oder hochfest formhärtbare Stahllegierung ist.

Hierzu kann sich vorzugsweise als erster Stahlwerkstoff ein Mangan-Bohr-Stahl, insbesondere 20MnB8, 22MnB5 oder 32MnB5 Stahl, auszeichnen.

Vorzugsweise eignet sich als erster Stahlwerkstoff eine Stahllegierung, die

0,08 bis 0,6 Masse- -% Kohlenstoff (C),

0,8 bis 3,0 Masse- -% Mangan (Mn),

0,01 bis 0,07 Masse- -% Aluminium (AI),

0,01 bis 0,5 Masse- -% Silizium (Si),

0,02 bis 0,6 Masse- -% Chrom (Cr)

0,01 bis 0,08 Masse- -% Titan (Ti),

< 0,02 Masse- -% Stickstoff (N),

0,002 bis 0,02 Masse- -% Bor (B),

< 0,01 Masse- -% Phosphor (P),

< 0,01 Masse- -% Schwefel (S),

< 1 Masse- -% Molybdän (Mo) und

als Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist. Als erster Stahlwerkstoff ist auch eine Stahllegierung denkbar, die

0,08 bis 0,30 Masse- -% Kohlenstoff (C)

1 ,00 bis 3,00 Masse- -% Mangan (Mn),

0,03 bis 0,06 Masse- -% Aluminium (AI),

0,01 bis 0,20 Masse- -% Silizium (Si),

0,02 bis 0,3 Masse- -% Chrom (Cr),

0,03 bis 0,04 Masse- -% Titan (Ti), < 0,007 Masse-% Stickstoff (N),

0,002 bis 0,006 Masse-% Bor (B),

< 0,01 Masse-% Phosphor (P),

< 0,01 Masse-% Schwefel (S),

< 1 Masse-% Molybdän (Mo) und

als Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist.

Eine besonders mechanisch standfeste Kernschicht kann geschaffen werden, wenn der erste Stahl Werkstoff einen Gehalt an Mn größer gleich 0,8 Gew.-% aufweist.

Die Duktilität des Verbundwerkstoffs kann erhöht werden, wenn der zweite und/oder dritte Stahlwerkstoff ein mikrolegierter Stahl, beispielsweise HC460LA, HC500LA oder HC340LA Stahl, ist. Ebenso ist ein IF-Stahl, beispielsweise ein HC220Y Stahl, denkbar.

Vorzugsweise können der zweite und dritte Stahlwerkstoff aus der gleichen Stahltype bestehen, um damit beispielsweise das Handling des Verbundwerkstoffs beim Umformen zu erleichtern. Beispielsweise kann der zweite und dritte Stahlwerkstoff ein HC220Y Stahl oder auch ein HC460LA Stahl sein.

Vorteilhaft kann sein, wenn der erste Stahlwerkstoff ein 20MnB8 Stahl und der zweite und dritte Stahlwerkstoff ein HC220Y Stahl sind. Alternativ kann auch vorteilhaft sein, wenn der erste Stahlwerkstoff ein 32MnB5 Stahl und der zweite und dritte Stahlwerkstoff ein HC460LA Stahl sind. Mit diesen Stahlkombinationen können die Lagen des Verbundwerkstoffs hinsichtlich der mechanischen Parameter aufeinander weiter abgestimmt werden, um damit beispielsweise das Umform- und/oder Versagensverhalten des Verbundwerkstoffs zu verbessern.

Vorzugsweise liegt die Dicke des Verbundwerkstoffs zwischen 0,5 und 3 mm, beispielsweise zwischen 1 und 2 mm. Vorzugsweise liegt die Kernschichtdicke zwischen 30 und 90%, beispielsweise zwischen 50 und 85%, der Dicke des Verbundwerkstoffs, um bei einer möglichst hohen Festigkeit des Verbundwerkstoffs gleichzeitig die Duktilität zu optimieren.

Ein vergleichsweise homogener Übergang zwischen den unterschiedlichen Dicken der Lagen kann geschaffen werden, wenn die Grenzkontur zwischen Kernschicht und der Plattierschicht, deren Stahlwerkstoff in der Plattierschichtdicke der variierenden Kernschichtdicke gegensinnig folgt, diesem Konturbereich der variierenden Kernschichtdicke schräg verläuft.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann sich insbesondere für eine Platine für ein Umformverfahren eignen, beispielsweise für ein presshärtendes Tiefziehen. Dies unter anderem aufgrund der durchgehenden Kernschicht. Höchste mechanische Eigenschaften kann ein Bauteil für eine Fahrzeugstruktur aus einer formgehärteten Platine gemäß der Erfindung garantieren.

Der Erfindungsgemäße formgehärteten Verbundwerkstoffs kann sich für eine Fahrzeugstruktur, beispielsweise Karosseriestruktur besonders eignen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Figuren wird beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand mehrerer Ausführungsvarianten näher dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 ein entlang der Breitseite geschnittener Verbundwerkstoff in 3-D Ansicht nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines anderen Verbundwerkstoffs nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 eine Seitenansicht eines weiteren Verbundwerkstoffs nach einem dritten Ausführungsbeispiel.

Wege zur Ausführung der Erfindung Nach Fig. 1 ist ein Verbundwerkstoff 1 dargestellt, der von drei Lagen an Stahlwerkstoffen ausgebildet wird. So ist als mittlere Lage eine Kernschicht 2 aus einem ersten Stahlwerkstoff 3 zu erkennen, die beidseitig jeweils mit einer ersten Plattierschicht 3 und mit einer zweiten Plattierschicht 4 versehen ist, die die beiden äußeren Lagen am Verbundwerkstoff 1 ausbilden. Diese beiden Plattierschichten 4, 5 sind je aus einem Stahlwerkstoff 6, 7, welche beiden Stahlwerkstoff 6, 7 zum ersten Stahlwerkstoff 3 einen geringeren Kohlenstoffgehalt aufweisen.

Die Kernschichtdicke k des ersten Stahlwerkstoffs 3 der Kernschicht 2 variiert über die Breite 8 des Verbundwerkstoffs 1 , wie dies anhand der unterschiedlichen Kernschichtdicken k1 , k2 in Fig. 1 erkannt werden kann.

Erfindungsgemäß erstreckt sich der erste Stahlwerkstoff 3 der Kernschicht 2 durchgehend über die gesamte Breite 8 des Verbundwerkstoffs 1 - und ist ebenso formhärtbar, beispielsweise, indem eine Stahllegierung mit einem Gehalt an Mn größer gleich 0,8 Gew.-% verwendet wird. Als erster formhärtbarer bzw. presshärtbarer Stahlwerkstoff 3 eignet sich ein erster Stahlwerkstoff mit folgender Legierungszusammensetzung (alle Angaben in Masse-%):

C Si Mn P S AI Cr Ti B N

[%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 0,20 0,18 2,01 0,0062 0,001 0,054 0,03 0,032 0,0030 0,0041 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei als Umwand- lungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan und optional Chrom und Molybdän verwendet werden. Denkbar ist auch ein anderer Mangan-Bohr-Stahl, beispielsweise vom Typ 22MnB5 oder 32MnB5. Damit ist die Kernschicht 2 besonders auf das Fügen beim Walzplattieren vorbereitet und kann einen standfesten Verbund mit der Plattierung bzw. den Plattierschichten 6, 7 eingehen. Zudem folgt der dritte Stahlwerkstoff 7 der Plattierschichten 4, 5 in der Plattierschichtdicke p der Variation der Kernschichtdicke k gegensinnig, wie dies am Verbundwerkstoff 1 mittig zu erkennen ist. Hier verläuft der Konturbereich 90 die Grenzkontur 9 zwischen den beiden Lagen schräg, wie dies im Übergang von der Plattierschichtdicke p1 bzw. Kernschichtdicke k1 auf die Plattierschichtdicke p2 bzw. Kernschichtdicke k2 zu erkennen ist. Dieser schräg verlaufende Konturbereich 90 schafft einen vergleichsweise homogenen Übergang und führt am dreischichtigen Verbundwerkstoff 1 zu vorteilhaften mechanischen Eigenschaften.

Der Kohlenstoffgehalt des dritten Stahlwerkstoffs 7 ist zudem geringer als der Kohlenstoffgehalt des ersten Stahlwerkstoffs 3 - vorzugsweise sind der zweite und dritte Stahlwerkstoff 6, 7 legierungsgleich und bestehen aus einem Stahlwerkstoff vom Typ HC340LA. Ebenso ist ein HC220Y Stahl denkbar.

Damit stellt der erste Stahlwerkstoff 3 der Kernschicht 2 in Kombination mit dem zweiten und dritten Stahlwerkstoff 6, 7 sicher, dass der Verbundwerkstoff 1 jene mechanischen Kennwerte erfüllen kann, welche von einem Bauteile einer Fahrzeugstruktur gefordert werden.

Entsprechend der Fig. 2 wird ein anderer dreilagiger Verbundwerkstoff 100 gezeigt, dessen Kernschicht 2 und Plattierschichten 4, 5 im Vergleich zum nach Fig. 1 dargestellten Verbundwerkstoff 1 anders variieren. Hier variiert die Kernschichtdicke k des ersten Stahl Werkstoffs 103 der Kernschicht 2 mehrmals über die Breite 8 des Verbundwerkstoffs 100 und bildet bereichsweise zurückspringende sickenformige Bereiche 1 10 aus. Der zweite und/oder dritte Stahlwerkstoff 106, 107 der Plattierschichten 4, 5 folgen in der Plattierschichtdicke p der Variation der Kernschichtdicke k gegensinnig. Auch hier verläuft die Grenzkontur 9 im Konturbereich 90 der variierenden Kernschichtdicke k schräg.

Entsprechend der Fig. 3 wird ein weiterer dreilagiger Verbundwerkstoff 300 gezeigt, dessen Kernschicht 2 im Vergleich zu den anderen Ausführungsbeispielen symmet- risch aufgebaut ist. Auch hier variiert die Kernschichtdicke k des ersten Stahlwerkstoffs 203 der Kernschicht 2, welcher Variation der zweite und dritte Stahlwerkstoff 206, 207 der zweiten bzw. dritten Plattierschicht 4, 5 gegensinnig folgen. Auch hier verläuft die Grenzkontur 9 im Konturbereich 90 der variierenden Kernschichtdicke k schräg, wie dies der Fig. 3 entnommen werden kann.