Höherfeste Stähle für die Karosserie. - staeves.de · Aluminium Magnesium weich hochfest weich hochfest Streckgrenze (bezogen auf Streckgrenze von weichem Stahl) Anforderungen

Höherfeste Stähle für dieKarosserie.

Dr.-Ing. J. Staeves,Metalle und Beschichtungen

Höherfeste

Stähle für die

Karaosserie

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Höherfeste Stähle für die Karosserie.Inhalt.

– Anforderungen und Trends

– Stahlwerkstoffe – Bezeichnung undKlassifizierung

– Anwendungsbeispiele

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Höherfeste Stähle für die Karosserie.Wir leben seit über 2500 Jahrenin der Eisenzeit.

SteinzeitBron- ze-zeit

Eisen-zeit

4000 3000 2000 01000 1000 2000

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Biegewiderstand gleiche Blechdicke

Beulsteifigkeit ~ h²Für stärkergekrümmte Flächen

Beulsteifigkeit ~ h³Für weniggekrümmte Flächen

h

Anforderungen und Trends.Biegewiderstand Blech (Beulsteifigkeit).

0

0,2

0,40,6

0,8

1

1,2

1,41,6

1,8

2

Stahl Aluminium Magnesium

Biegewiderstand gleiches Gewicht

8 14

Gewicht gleicher Biegewiderstand

Gew

icht und Biegewiderstand

bezogen auf S

tahl

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Streckgrenze, gleicher Querschnitt

Streckgrenze, gleiches Gewicht

0

2

4

6

8

10

12

weich

Stahl

hochfest

Aluminium Magnesium

weich hochfest weich hochfest

Streckgrenze

(bezogen auf Streckgrenze von weichem

Stahl)

Anforderungen und Trends.Beanspruchung auf Zug.

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Anforderungen und Trends.Entwicklung von Aufstandsfläche undKarosseriegewicht.

3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8Aufstandsfläche [m²]

150

200

250

300

350

2001

1996

1990

1996

1998

1975

2001

Gewicht Karosseriegerippe [kg]

Obere Mittelklasse (5er)Mittelklasse (3er)

Oberklasse (7er)

Wettbewerber

1988

1995

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Anforderungen und Trends.Vergleich des BMW 3,0Si von 1975mit dem BMW 3er von 2001.

3,0SiBaujahr 19753,0 l200 PSSeinerzeit OberklasseRohkarosserie 250 kgSteifigkeit 9000Nm/°

330iBaujahr 20013,0 l231 PSHeute MittelklasseRohkarosserie 260 kg Steifigkeit 17500 Nm/°erhöhte Crashanforderungen

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Euro-NCAP40% Offset-Frontalaufprallmit 64 km/h

US-NCAPFrontalaufprall100% Überdeckungmit 35 mph (56 km/h)

Anforderungen und Trends.Übersicht Crashversuche.

US-SINCAPSeitenaufprall mit“Krebsgang”-Barrieremit 38.5 mph (61.6 km/h)

PfahlaufprallSeitenaufprall auffesten Pfahlmit 20 mph (32 km/h)

HeckaufprallFahrbare Barrieremit 35 mph (56 km/h)

Dacheindrücktest /Überrolltest 2,5faches Leergewicht

+ Reparaturcrash mit geringer Geschwindigkeit

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Anforderungen und Trends.Höhere Festigkeit und Energieaufnahme mithöherfesten Stählen.

[Atlas Spaceframe]

US-NCAP Euro-NCAP Heckaufprall

US-SINCAPPfahlaufprall

Dacheindrücktest /Überrolltest

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modal

statisch

TorsionBiegung

Anforderungen und Trends.Steifigkeit: Karosseriestähle unterscheiden sichim E-Modul kaum.

[ULSAB]

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0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Umformgrad

Str

ec

kg

ren

ze

[N

/mm

²]H400T, TRIP700

H420LA, ZSTE420

Anforderungen und Trends.Energieaufnahme von klassischen Stählen undMehrphasenstählen.

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Schweller

Crash Box

A-Säuleoben

Tunnel

FrontalaufprallkräfteA-Säule unten

Anforderungen und Trends.Lastpfade Vorderbau.

[ULSAB]

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Anforderungen und Trends.Gewichtsanteil höherfester Stählein der Rohkarosserie.Gewichtsanteil ab Streckgrenze 180 N/mm² [%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

BMW 7er

BMW 3er

BMW 5er

BMW 7er

Produktions-/Einsatzjahr

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Anforderungen und Trends.Entwicklung der mittleren Festigkeit derStahlwerkstoffe im Karosseriegerippe.

Produktions-/Einsatzjahr

Mittelwert Mindeststreckgrenze [N/mm²]Σ(Mindeststreckgrenze x Bauteilgewicht) / Σ Bauteilgewicht

140

160

180

200

220

240

260

1975 1996 1998 2000 2002 2004

BMW 5erBMW 3er

BMW 7er

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Bezeichnung und Klassifizierung.Entwicklung neuer Stahlsorten.

1970

Isotroper Stahl

Dualphasenstahl

Complexphasenstahl

MS, Martensitphasenstahl

Transformation induced Plasticity Stahl

Mikrolegierter Stahl, LA

Phosphorlegierter Stahl, P

I

X

CP

MS

TRIP

B

Y

Produktionsbeginn bei ThyssenKrupp Stahl

1975 1980 1985 1990 1995

IF-Stahl (interstitial free)

Bake hardening Stahl

2000 2005

Quelle: ThyssenKrupp Stahl

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Weiche ZiehgütenST14, FeP04, DC04, DX54

Interstitial free Stähle (Höherfeste IF)IF220, 220IF, HSZ220, HX220, HY220, H220Y

Isotrope StähleHIZ260, H260i, ZStE260i

Bake Hardening StähleZStE300BH, RePhos300, ZStE300, BH300, Usiplus300, H300B

TRIP-StähleTRIP700, HT700T, H400T, RA-K 40/70, TRIP 400/700

Bezeichnung und Klassifizierung.Beispiele für übliche Werkstoffbezeichnungen.

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Bezeichnung und Klassifizierung.Bezeichnungssystem höherfester Stähle.

HT700TD+Z100

Verzinkungsart und Dicke

schmelztauchbeschichtbar

Stahlsorte

Festigkeit

T: Zahl = Mindestzugfestigkeit

sonst: Zahl = Mindeststreckgrenze

H: höherfester kaltgewalzter Stahl

B: Bake hardening

Y: IF (interstitial free)

I: isotrop

X: Dualphasen

T: TRIP

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0

10

20

30

40

50

60

70

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

KarosseriestähleAustenitische Stähle

Alu-KnetlegierungenMagnesiumgussMagnesiumprofile

TWIP-Stähle

Streckgrenze [MPa]

Bruchdehnung [%]

Bezeichnung und Klassifizierung.Umformbarkeit, Festigkeit oder Kosten.

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Bezeichnung und Klassifizierung.Verfestigungsmechanismen bei konventionellenStählen.


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Warmwalzen

Ferrit

Perlit

Bainit

A3

Austenit

Zeit

Tem

peratur

Ms

Martensit

Ms

Mf

Abkühlen

Martensit Dualphasen

TRIP

MP

High Strength Low Alloyed

→ C, Si, Mn, Al, B, CrSi, Al ← → Mn, Cr, B

↓

C, Mn

Al↑

→ C, Si, Cr, V, Mn, BAl ←

Bezeichnung und Klassifizierung.Herstellung von Mehrphasenstählen.

Quelle: Salzgitter Stahl

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Bezeichnung und Klassifizierung.Verfestigung durch harte Phasen.Mehrphasenstähle.


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Umformung Fügen Lack Einbrennen Gebrauch

Fe

sti

gk

eit

(S

tre

ck

gre

nze

)

0

200

400

600

800

H300LA (mikrolegiert)

Werkstoffangaben von Stahlherstellern

Kaltverfestigung

H300X (Dual Phasen Stahl)

Bake Hardening

H300B (Bake Hardening Stahl)

Bezeichnung und Klassifizierung.Bake Hardening.

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Bezeichnung und Klassifizierung.Klassifizierung der Stahlsorten.

Mindest-streck-grenze

Referenz für Tiefziehen

Bake hardening bei geringer Umformung

Kaltverfes-tigung und bake hardeningbei großerUmformung

Streck-ziehen

Verbesserte Umformbar-keit bei höheren Material-kosten

Deutlich bessere Umformbar-keit bei deutlich höherenKosten

120 DC06, DX56 DC07, DX57140 DC04, DX54160 H160Y H160B180 H180Y H180B220 H220Y H220B H220I260 H260Y H260B H270X H260I300 H300B H300X H300I Edelstahl340 H340LA H340X Edelstahl380 H380LA Edelstahl420 H420LA H400T H400T Edelstahl500 H500X700 CP-W 8001000 MS-W 1200 Usibor, BTR

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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 120-220 MPa.





Streck-ziehen




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“Form follows function”

Karosserieaussenhaut.Aluminium in der Außenhaut erfordertwerkstoffgerechtes Design.

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Anwendungsbeispiele.Seitenrahmen außen.Beanspruchung.

Türabsenkung

Schließkeilanbindung

Frontalcrash

Seitencrash

Heckcrash

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Anwendungsbeispiele.Seitenrahmen außen.Einfluss der Stahlsorte auf Gewicht und Kosten.

Gew

ichtseinsparung [kg]

4

20

-2

-4

-6

H180Y0,85 mm

DC 060,95 mm

H220Y0,75 mm

Materialkosten [%] 100

80

60

40

20

0

Risse

Oberflächenunruhen

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Streck-ziehen




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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².Seitenrahmen innen des BMW 7er.

0

200

400

600

800

1000

1200

Umformgrad

Fließgrenze [N/mm²]

1400

1600

H380LA

H420LA

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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².A-Säule innen.

0

200

400

600

800

1000

1200

Umformgrad


H400T (TRIP 700)

H420LAH380LA

1400

1600

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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².Vergleich von mikrolegiertem und TRIP-Stahl.

H420LA (ZStE 420) H400T (TRIP700)

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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².Motorträger außen beim BMW Z4.

0

200

400

600

800

1000

1200

Umformgrad


H340X

H380LA

1400

1600

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NeueStähle

Anwendungsbeispiele.Herausforderungen beim Einsatz neuer Stähle.

Entwicklung

WerkstoffauswahlMaterialmodelle

Umformung

Methode, AufsprungUmformkräfte

WerkzeugsteifigkeitVerschleiß

Material-beschaffung

ChargenschwankungenVerfügbarkeitKonzepte

Rohbau

SchweißbarkeitAufsprung

Oberfläche

OberflächenqualitätKorrosionKleben

Reparatur

FügetechnikRichten

Wärmeeinfluss

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Streck-ziehen




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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 500 bis 700 N/mm².B-Säulenverstärkungen.

0

200

400

600

800

1000

1200

Umformgrad


H420LA

D680C (CP 800)

1400

1600

BMW 7er:1,6 mm

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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 500 bis 700 N/mm².Stähle aus der Studie Ulsab AVC.

0

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600

800

1000

1200

Umformgrad


D680C (CP 800)

1400

1600

DP700/1000

DP500/800

Quelle: ULSAB-AVC

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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².





Streck-ziehen




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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².Seitenaufprallträger.

0

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600

800

1000

1200

Umformgrad


D680C (CP 800)

D900MS (MS-W 1200)

1400

1600

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3er, 5er, ...: 1,5 mm

Bauteilbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².Türverstärkungen in MS-Stahl D900M.

Quelle: TKS

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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².Warm umgeformte Verstärkung A-Säule.

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800

1000

1200

Umformgrad


D680C (CP 800)

D900MS (MS-W 1200)

1400

1600

Borstahl

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Zusammenfassung (1/3).

– Stahlleichtbau in der Karosserie ist heute Realität.

– Aktuelle und zukünftige Stahlwerkstoffe bieten zusätzlichesPotenzial für kostenorientierten Stahlleichtbau.

– Die zunehmende Zahl der Werkstoffe erschwert dieWerkstoffauswahl in der Konstruktion und die Absicherungder Prozesse in der Fertigung.

– Die Begrenzung der Werkstoffauswahl führt zu erhöhtemKarosseriegewicht.

„Die Strukturen und die Produktion der Zukunftmüssen Komplexität effizient beherrschen ...“

Professor Milberg 1997

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Holz Hüftknochen

0

5

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Mensch AutomobilPferd

Anteil „Karosseriegewicht“ am Gesamtgewicht [%]

Zusammenfassung (2/3).Die Natur kann es besser.

Quellen: EK Übergang 13.0-14.0 1. OG,Prof. Nachtigall, pbpress

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Zusammenfassung (3/3).Wir brauchen alle Metalle.Metall-Mischbau auch im Menschen.

Knochenbildung

Wundheilung

Bei körperlichen Belastungen

Bei Magenbeschwerden

Rote Blutkörperchen

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