DE102011114992A1

DE102011114992A1 - Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils

Info

Publication number: DE102011114992A1
Application number: DE102011114992A
Authority: DE
Inventors: Alwyn Bester; Roland Müller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: DE102011114992B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils mit einer Korrosionsschutzbeschichtung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt zunächst eine Platine aus einem härtbaren Stahlmaterial bereitgestellt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt die Platine auf eine Zieltemperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur unter gleichzeitiger Beschichtung zumindest eines Teiles ihrer Oberfläche mit einer Korrosionsschutzbeschichtung erwärmt wird und schließlich in einem dritten Verfahrensschritt weitere thermische und/oder mechanische Bearbeitungsschritte zur Herstellung des gehärteten Stahlbauteils folgen. Desweiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Halbzeug eines gehärteten Stahlbauteils, das eine bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur aufgebrachte Korrosionsschutzbeschichtung aufweist, sowie ein Korrosionsschutzbeschichtungsmittel, das in einem Verfahren zur Herstellung eines solchen gehärteten Stahlbauteils eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils mit einer Korrosionsschutzbeschichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug und ein Korrosionsschutzbeschichtungsmittel zur Verwendung in einem solchen Verfahren.
Stahl ist nach wie vor der Werkstoff der ersten Wahl, wenn es um moderne und kostengünstige Fahrzeugkarosserien geht. Angetrieben durch den Wunsch, die Fahrzeugkarosserien leichter und fester bei besserer Crashsicherheit zu machen, um Stahl weiterhin als bevorzugten Werkstoff gegen die zunehmende Konkurrenz anderer Werkstoffe im Fahrzeugkarosseriebau zu halten, kommen in Fahrzeugkarosserien zunehmend höher- und höchstfeste Kohlenstoffstähle zur Anwendung.
Immer mehr Automobilhersteller setzen dabei im Karosserie-Leichtbau auf sogenannte formgehärtete Stähle, die zunächst auf eine Härtetemperatur erhitzt, anschließend mittels einer Warmumformung in einem entsprechenden Pressenwerkzeug umgeformt und schließlich in dem Pressenwerkzeug zur Härtung abgeschreckt werden. Obwohl mit diesem Formhärteprozess Bauteile mit überragenden Festigkeitseigenschaften (Zugfestigkeiten bis zu 1500 MPa) hergestellt werden können, sind in diesem Prozessbereich immer noch vielfältige Herausforderungen zu bewältigen. So ist beim Formhärten insbesondere von Nachteil, dass im Vergleich zu anderen Umformverfahren verhältnismäßig lange Zykluszeiten benötigt werden und dabei ein hoher Werkzeugverschleiß auftritt.
Zum Härten eines Stahlbauteils muss dieses auf eine Zieltemperatur oberhalb seiner Austenitisierungstemperatur (800 bis 900°C) erwärmt werden, um eine vollständige Austenitisierung des Gefüges zu gewährleisten, wobei nach diesem Erwärmungsschritt und einem eventuell nachfolgenden Warmumformschritt das Bauteil mit einer von der jeweiligen Stahllegierung abhängigen Abkühlrate abgekühlt wird, um eine harte martensitische Kristallstruktur zu erzielen.
Beim Formhärten müssen daher die umzuformenden Stahlplatinen zunächst in einem Ofen erwärmt werden, wobei bei den hohen Temperaturen (ca. 950°C) eine starke Zunderbildung auf der Stahloberfläche stattfindet. Der sich bildende Zunder neigt zum Abplatzen, ist rau und spröde und beschädigt daher Bauteile sowie Umformwerkzeuge, wobei der lose Zunder darüber hinaus die Werkzeuge verschmutzt und im Laufe des normalen Produktionsprozesses regelmäßig entfernt werden muss, was zu Stillstandszeiten und somit zu Produktionsausfällen führt.
Um zu verhindern, dass sich beim Erwärmen der Platinen Zunder auf deren Oberflächen ausbildet, sind verschiedene Gegenmaßnahmen bekannt und im Einsatz. Eine Alternative ist, die Platinen im Ofen unter Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre zu erwärmen. Da aber bei den Umformlinien, die für die Stückzahlen einer Fahrzeugproduktion ausgelegt sind, es mit vertretbarem wirtschaftlichen und konstruktiven Aufwand nicht möglich ist, den gesamten Bereich von Erwärmung bis Umformung unter Vakuum oder Schutzgas zu betreiben, hat sich in der Praxis des Fahrzeugbaus die Alternative durchgesetzt, auf die Oberflächen der zu formenden und zu härtenden Platinen vorab, d. h. noch vor dem Erwärmungsschritt, eine Korrosionsschutzbeschichtung zum Schutz vor Zunderbildung aufzutragen. Zu diesem Zweck stehen heute eine Vielzahl von Beschichtungsmaterialien zur Verfügung, wobei zur Verhinderung der Zunderbildung vor allem Beschichtungen aus Zink, Aluminium oder daraus gebildeten Legierungen zum Einsatz gelangen. Allerdings ist für das Aufbringen der Korrosionsschutzbeschichtung als Verzunderungsschutz ein separater zusätzlicher und zudem energieintensiver Arbeitsschritt erforderlich, der die ohnehin schon kritische Zykluszeit des Formhärteprozesses noch verlängert und damit die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens weiter belastet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils mit einer Korrosionsschutzbeschichtung anzugeben, durch das die Herstellungszeit und der Energiebedarf reduziert werden können. Vorzugsweise soll dabei auch noch die Qualität des so hergestellten Stahlbauteils erhöht sein.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Halbzeug für ein härtbares Stahlbauteil, insbesondere Karosseriebauteil, sowie ein Korrosionsschutzmittel anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen (Verfahrensschritte) des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die weiteren Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche 19 und 20 gelöst.
Mit Vorteil ist bei der Erfindung vorgesehen, dass der Verfahrensschritt des Aufbringens einer Korrosionsschutzbeschichtung auf die Oberfläche der Platine gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt der Erwärmung der Platine auf eine Zieltemperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur durchgeführt wird.
Diese vorgeschlagene Kombination des Oberflächenbeschichtungsschritts mit dem Austenitisierungsschritt hat vorteilhaft zur Folge, dass die Platine, die im herkömmlichen Formhärtverfahren noch zweimal aufgewärmt werden muss, nämlich ein erstes Mal für die Ausführung der Oberflächenbeschichtung und ein zweites Mal für die Erwärmung auf Härtetemperatur vor der Warmumformung, nun erfindungsgemäß nur noch ein einziges Mal erwärmt werden muss. Auf diese Weise wird die Energie, die im herkömmlichen Formhärtverfahren für eine vorausgehende separate Oberflächenbeschichtung des Halbzeugs oder der daraus zugeschnittenen Platinen aufgewendet werden muss, eingespart.
Indem der Beschichtungsauftrag gleichzeitig beim Aufwärmen der Platine erfolgt, entfällt somit gegenüber bekannten Fertigungsverfahren auch die für eine vorgelagerte Beschichtung notwendige Zeit, so dass die für die Herstellung eines gehärteten Bauteils benötigte Zykluszeit reduziert werden kann, womit das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur im Hinblick auf die eingesetzten Energiemengen, sondern auch im Hinblick auf die erzielten Durchsatzmengen erheblich wirtschaftlicher ist.
Vorteilhafterweise erfolgt das simultane Beschichten und Austenitisieren durch Eintauchen der Platine in ein erwärmtes Beschichtungsbad, beispielsweise in eine flüssige Metallschmelze, so dass die Wärmeenergie des Beschichtungsbads gleichzeitig für zwei Zwecke genutzt werden kann, nämlich zum einen zum Aufbringen der Oberflächenbeschichtung auf die Platine und zum anderen zum Aufwärmen der Platine auf eine für die Härtung geeignete Zieltemperatur.
Im Gegensatz zu herkömmlicherweise für die Platinenerwärmung verwendeten Konvektionsöfen, in denen die Platinen der sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt sind, erfolgt die Erwärmung innerhalb des Beschichtungsbads in einer sauerstofffreien Umgebung, so dass während des Erwärmens der Platine an ihrer Oberfläche kein Zunder gebildet wird. Durch einfache zusätzliche Maßnahmen (z. B. durch eine allseitige Schutzgasabdeckung) kann das Beschichtungsbad, welches beispielsweise als flüssiges Schmelzebad der Metalle Zink, Aluminium oder einer Legierung daraus ausgebildet sein kann, auf sichere Weise frei von Sauerstoff gehalten werden, so dass das Risiko einer Oberflächenverzunderung nahezu ausgeschlossen werden kann.
Ein weiterer Vorteil eines Aufwärmens der Platine in einem flüssigen Schmelzebad besteht neben der Sauerstofffreiheit darin, dass dort deutlich höhere Aufwärmraten erreicht werden können als bei konvektionellen Aufwärmverfahren, d. h. bei einer Aufwärmung durch vorbeiströmende Warmluft, wie z. B. in herkömmlichen Konvektionsöfen. Zudem ist die Effektivität der Aufwärmung nicht abhängig von der Teilegeometrie, da das Schmelzebad mit der eingetauchten Platine allseitig in Berührung steht und somit seine Wärme gleichmäßig an die Platine abgibt.
Die hohen Aufwärmraten haben den weiteren vorteilhaften Effekt, dass die Heizeinrichtungen an dem das Schmelzebad aufnehmenden Behälter erheblich kleiner dimensioniert werden können, als die beispielsweise an herkömmlichen Konvektionsöfen vorgesehenen Heizeinrichtungen. Die durch die Schmelzbaderwärmung ermöglichte, kleinere Dimensionierung der Heizeinrichtungen erlaubt auch eine einfachere Ausgestaltung der notwendigen Isolationsmaßnahmen und geht zudem mit einer Reduzierung des Oberflächenbereichs einher, durch den unerwünschte Wärmestrahlungsverluste auftreten können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden nur die Bereiche der Platine beschichtet, die danach weiteren Behandlungsschritten, beispielsweise einer Warmumformung, unterzogen werden und somit bleiben die Bereiche der Platine unbeschichtet, die im fertig geformten Bauteil nicht mehr vorhanden sind, weil sie vorher durch einen Schnitt- oder Stanzprozess oder durch ein sonstiges materialabtragendes Verfahren von der Platine als überschüssiges Material entfernt wurden. Da somit dieser Materialabtrag (z. B. entsprechende Stanz- oder Schnittreste, Späne ...) nicht mit dem Korrosionsschutzbeschichtungsmittel (wie z. B. Zink, Aluminium oder daraus gebildeten Legierungen) kontaminiert ist, kann ein großer Anteil dieses Materialabtrags recycelt werden. Falls dieser materialabtragende Bearbeitungsschritt an den Platinen oder an den bereits geformten Bauteilen noch im Werk des Stahlproduzenten erfolgt, dann können die ausgestanzten, ausgeschnittenen oder auf sonstige Weise abgetragenen Materialabfälle dank ihres unbeschichteten reinen Zustands wieder direkt zurück in den Schmelzofen eingeführt werden, ohne dass dabei unnötige Transportkosten anfallen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines formgehärteten Bauteils, in dem die wesentlichen Verfahrensschritte schematisch dargestellt sind.
In 1 ist stark vereinfacht und schematisiert die Abfolge der Verfahrensschritte a) bis c) zur Herstellung eines form- bzw. pressgehärteten Bauteils 1 aus einer Platine 3a dargestellt.
Die Verfahrensschritte sind in 1 von links nach rechts in chronologischer Reihenfolge angeordnet, wobei jeweils zwischengefügte punktierte Pfeile die Übergabe des jeweils ausgegebenen Werkstücks an den nachfolgenden Verfahrensschritt symbolisieren, so dass im Hinblick auf eine bessere Übersichtlichkeit auf die Darstellung entsprechend bekannter, automatisch gesteuerter Transfereinrichtungen verzichtet werden konnte. Nur zwischen Verfahrensschritt b) und c) ist exemplarisch eine solche Transfereinrichtung in Form eines Roboters 8 dargestellt worden.
Im ersten mit a) markierten Verfahrensschritt wird eine unbeschichtete Platine 3a bereitgestellt. Eine Platine 3a ist hier beispielsweise ein flaches Stahlblechteil vorbestimmter Außendimensionen, dass in einem hier nicht dargestellten vorgelagerten Prozess meist an einer Stanzpresse aus einem entsprechenden Stahlblechband zugeschnitten wird, welches wiederum meist als Coil einer Abwickelvorrichtung dieser Stanzpresse zugeführt wurde. Die Platine 3a kann eine beliebige Geometrie haben.
Im nachfolgenden mit b) untertitelten Verfahrensschritt wird diese Platine 3a mittels entsprechender Manipulationseinrichtungen (z. B. Roboter 8) in ein flüssiges Heizbad 4 eingetaucht, wobei die Platine 3b in diesem Heizbad 4 nicht nur erwärmt wird, sondern gleichzeitig auch mit einer Oberflächenbeschichtung 2 überzogen wird.
In bislang durchgeführten Experimenten wurden für diesen simultanen Beschichtungs- und Erwärmungsschritt b) Prozesszeiten von nur 30 Sekunden als ausreichend ermittelt. Die benötigten Prozesszeiten werden allerdings von der Zusammensetzung der im Heizbad 4 enthaltenen Beschichtungslegierung und von der Reaktionszeit dieser Legierung mit der Stahloberfläche der Platine 3a wesentlich beeinflusst. Auf jeden Fall muss die Prozesszeit ausreichend sein, um eine zuverlässige Beschichtung der Platine 3a zu gewährleisten. Auch hängt diese Prozesszeit von der Materialdicke der Platine 3a ab, da zur Erwärmung dickerer Materialschichten mehr Zeit benötigt wird. Das Platinenmaterial muss vollständig austenitisiert werden, weil nur auf diese Weise eine maximale Bauteilfestigkeit zu erreichen ist.
Wichtig ist daher, dass die Zieltemperatur, auf welche eine Erwärmung der Platine 3a erfolgen soll, oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3-Temperatur) des Platinenmaterials liegt, weil erst bei einer solchen Zieltemperatur der Austenitisierungsprozess eingeleitet wird. Diese Zieltemperatur hängt von der jeweils verwendeten Stahllegierung der zu erwärmenden Platine 3a und auch von der gewünschten Aufheizgeschwindigkeit ab. Bei einer presshärtenden Mangan-Bor-Stahllegierung 22MnB5 und einer Aufheizgeschwindigkeit von 300 K/S wurde eine Zieltemperatur von 950°C gewählt, während bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 1 K/S für die gleiche Stahllegierung die Zieltemperatur nur noch 833°C beträgt. Für eine lufthärtende Stahllegierung LH800 ist bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 300 K/s die Zieltemperatur auf 975°C und bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 1 K/s auf 875°C eingestellt worden.
Die im Beschichtungbad 4 enthaltene Flüssigkeit kann vorwiegend aus Zink bestehen, aber Zusammensetzungen auf Basis von Titan, Wismut, Antimonium, Blei, Aluminium und/oder anderen Legierungselementen können ebenfalls eingesetzt werden. Zink wird wegen seiner leichten Verfügbarkeit und der hochwertigen anodischen Korrosionsschutzschicht, die es dem Stahlmaterial verleiht, bevorzugt, aber vom Schutzumfang der Erfindung sollen auch andere Korrosionsschutzbeschichtungsmittel, wie beispielsweise die vorab erwähnten Legierungen, umfasst sein. Wesentlich ist lediglich, dass die jeweilige Beschichtungsflüssigkeit ihren Schmelzpunkt unterhalb und ihren Siedepunkt oberhalb der jeweiligen Austenitisierungstemperatur (Ac3-Temperatur) aufweist, und dass bei dieser Temperatur die gewünschte Oberflächenbeschichtung sicher aufgebracht werden kann.
Schließlich wird die auf diese Weise erwärmte und beschichtete Platine 3b an sekundäre Einrichtungen zur Durchführung weiterer thermischer und/oder mechanischer Behandlungsschritte c) übergeben. Solche weiteren Behandlungsschritte c) können im einfachsten Fall nur in einem schnellen Abkühlen der Platine 3b bestehen, um eine entsprechende Härtung herbeizuführen, oder sie können nur ein Warmumformen der Platine 3b, z. B. durch Schmieden, Walzen, Pressen, Ziehen etc., zu einem entsprechenden Bauteil 1 beinhalten oder aber sie können, wie im in 1 mit c) untertitelten Verfahrensschritt dargestellt, eine Kombination dieser beiden vorgeschilderten Behandlungsschritte (Warmumformung mit anschließender Abkühlung) umfassen.
Wenn das austenitische Gefüge der Platine 3b rasch genug abgekühlt wird, bildet sich ein martensitisches Gefüge mit einer äußerst harten kristallinen Struktur, die wesentlich ist, um das fertige Bauteil 1 mit der gewünschten hohen Zugfestigkeit auszustatten.
Am Ende des Verfahrens wird so ein fertiges (gehärtetes und geformtes) Bauteil 1 erhalten, dass zum Schutz vor Korrosion mit einer entsprechend gewählten Oberflächenbeschichtung 2 (beispielsweise aus Zink, Aluminium oder einer Kombination daraus) versehen ist.
Im folgenden wird der Ablauf des Verfahrensschritts b) (kombinierte Oberflächenbeschichtung und Erwärmung) nochmals näher erläutert. Zum Härten muss die Platine 3a zunächst auf eine Zieltemperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur (Ac3-Temperatur) erwärmt werden, um ihre Struktur zur vollständig austenitischen Struktur umzuwandeln. Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Platine 3a aus einem presshärtbaren Stahlwerkstoff, der im Verfahrensschritt c) im Umformwerkzeug 7a, 7b nach der Umformung durch Abkühlen nahezu vollständig von einem austenitischen in ein martensitisches Gefüge umwandelbar ist, so dass sehr hohe Festigkeiten bereitgestellt werden können, wie sie insbesondere im Fahrzeugbau an crashrelevanten Bauteilen benötigt werden.
Die Erwärmung auf eine die möglichst vollständige Austenitisierung des Stahlmaterials der Platine 3a gewährleistende Zieltemperatur wird im Stand der Technik vorwiegend beim Durchlauf der Platine 3a durch einen Ofen (insbesondere einen Strahlungs- oder Konvektionsofen) erreicht. Die Austenitisierung findet bei Temperaturen oberhalb 800°C statt, wodurch eine starke Zunderbildung auf der Stahloberfläche der Platine 3a verursacht wird. Die Zunderbildung erfolgt so schnell, dass selbst Platinen 3a, die in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre, z. B. unter Stickstoff, erwärmt werden, sofort verzundern, sobald sie bei der Überführung vom Ofen in die Pressform 7a, 7b mit Luftsauerstoff in Kontakt kommen. Daher werden die Platinen 3a oder das Blechhalbzeug aus dem diese Platinen 3a zugeschnitten sind, in der Regel vor dem Erwärmen auf Härtetemperatur mit einer Korrosionsschutzbeschichtung 2 gegen Zunderbildung versehen, beispielsweise durch Verwendung feuerverzinkter oder -aluminierter Stahlbleche.
Das Auftragen der Korrosionsschutzbeschichtung 2 stellt einen zusätzlichen zeitraubenden und energieintensiven Verfahrensschritt dar, der die ohnehin langen Zykluszeiten beim Formhärten noch weiter erhöht und daher die Anwendung dieses noch jungen Verfahrens, insbesondere im unter einem immensen Kostendruck stehenden Fahrzeugbau, an den Rand der Wirtschaftlichkeitsgrenze rückt.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Überwindung dieses Problems, indem der Beschichtungsschritt und der Aufwärmschritt gleichzeitig vollzogen werden, so dass die im Stand der Technik noch für einen separaten Beschichtungsschritt aufzuwendende Zeit und Energie dementsprechend eingespart werden kann. Der gleichzeitige Ablauf dieser beiden Verfahrensschritte ist gemäß dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in der Weise realisiert, dass die Platine 3a in ein auf die gewünschte Zieltemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmtes Beschichtungsbad 4 eingetaucht wird. In 1 ist der das Beschichtungsbad 4 aufnehmende Beschichtungsbehälter 5 mit der Platine 3a, 3b in einem oberen nicht eingetauchten und unteren eingetauchten Zustand dargestellt. Das Beschichtungsbad 4 ist dabei als flüssiges Schmelzebad des zur Oberflächenbeschichtung verwendeten Korrosionsschutzbeschichtungsmittels ausgebildet, wobei die flüssige Phase dieses Korrosionsschutzbeschichtungsmittels so beschaffen sein muss, dass sie eine Erwärmung der eingetauchten Platine 3b auf eine Temperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur gestattet, ohne dass dabei eine sichere Applikation dieses Mittels auf der eingetauchten Platinenoberfläche beeinträchtigt wird. Beim Schmelzebad 4 kann es sich beispielsweise um eine heiße flüssige Metallschmelze handeln, wobei hierfür insbesondere eine Schmelze aus Zink oder einer Zinklegierung bzw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in Betracht kommt, wobei das Bad 4 auch als galvanisches Bad zur elektrolytischen Abscheidung des Korrosionsschutzmittels auf der zu beschichtenden Platinenoberfläche ausgebildet sein kann.
Die Erwärmung der Platine 3a in einem flüssigen Schmelzebad 4 weist gegenüber konventionellen Aufwärmverfahren in Durchlauföfen (insbesondere in Konvektionsöfen) zudem den Vorteil auf, dass eine höhere Aufheizgeschwindigkeit und damit ein schnelleres Erreichen der für das Härten notwendigen Temperatur ermöglicht wird, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren weiteres Zeiteinsparpotential bietet. Im Schmelzebad 4 steht die eingetauchte Platine 3b allseitig mit dem flüssigen Korrosionsschutzbeschichtungsmittel in Berührung, so dass die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung (Konduktion) vom flüssigen Medium 4 auf die direkt benachbarte feste Platine 3b erfolgt, wodurch ein höherer Wärmeübertragungskoeffizient erzielt wird als bei einer Übertragung durch eine Wärmeströmung (Konvektion), wie es in bekannten Durchlauföfen der Fall ist.
Ähnlich hohe Aufheizgeschwindigkeiten konnten bisher nur bei Erwärmung der Platine 3a in einem Salzbad (geschmolzenes Salz verschiedener Zusammensetzung) erreicht werden. Dieses Aufwärmverfahren hat jedoch in den vergangenen Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung verloren, da von den hierfür eingesetzten hochtemperaturresistenten Salzen, die häufig Anteile an Barium, Chloriden und Zyaniden enthalten, ein großes Umweltgefährdungspotential ausgeht. Außerdem ist ein solches bekanntes Verfahren trotz der ebenfalls hohen Aufheizgeschwindigkeit nicht zum gleichzeitigen Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung 2 ausgelegt.
Die Verwendung eines Beschichtungsbads 4 statt eines konventionellen, der sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzten Durchlaufofens erlaubt zudem eine Aufheizung und Beschichtung der Platine 3a in einem von der korrosiven Umgebungsluft isolierten, sauerstofffreien, flüssigen Medium, so dass keine unerwünschten Oxidationsprozesse, die zur Bildung von Zunder an der Platine 3b führen können, auftreten. Durch Zusatzmaßnahmen, wie beispielsweise eine allseitige Schutzgasabdeckung kann zudem sichergestellt werden, dass das Beschichtungsbad 4 auch im Laufe des Produktionsprozesses immer frei von verunreinigenden Sauerstoffeinschlüssen gehalten wird.
Um der Platine 3a die zur Austenitbildung notwendige Temperatur möglichst exakt bereitstellen zu können, ist der Beschichtungsbehälter 5 in 2 mit elektrischen Beheizungselementen 6 ausgerüstet, die an eine regelbare Stromquelle angeschlossen sind, so dass die Temperatur des Beschichtungsbads 4 entsprechend eingestellt werden kann. Neben der Temperatur des Beschichtungsbads 4 kann auch die Eintauchtiefe der Platine 3b in das Beschichtungsbad 4 (z. B. durch entsprechende Steuerung des jeweiligen Handlingsroboters 8) und/oder die Höhe des Beschichtungsbads 4 in dem Beschichtungsbehälter 5 je nach Anwendungsfall eingestellt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine ressourcenschonende, nur partielle Erwärmung und Beschichtung der Platine 3b erzielt werden. Dabei bleiben die Bereiche, die im nachfolgenden Verfahrensschritt c) nicht umgeformt werden oder die im nachfolgenden Verfahrensschritt c) wieder abgetragen werden (z. B. durch Stanzen, Schneiden, Bohren, Fräsen, etc.) unbeschichtet, so dass dieser nicht kontaminierte (unbeschichtete) Materialabtrag problemlos recycelt werden kann.
In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren als sogenanntes Form- bzw. Presshärtverfahren ausgestaltet, wobei die im Austenitbereich erwärmte und beschichtete Platine 3b in einem nachfolgenden Verfahrensschritt c) zwischen die beiden Werkzeughälften 7a, 7b eines Pressformwerkzeugs eingelegt und zunächst zu einem gewünschten Bauteil 1, beispielsweise zu einem Karosseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, warmumgeformt wird, um anschließend direkt in dem Pressformwerkzeug 7a, 7b unter einer für die Martensitbildung geforderten kritischen Abkühlrate schnell abgekühlt zu werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch keineswegs auf ein solches Form- bzw. Presshärtverfahren beschränkt, sondern kann auch in Form jedes anderen Verfahrens zur Anwendung gelangen, bei dem eine Erwärmung einer Platine 3a auf eine Zieltemperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur gefolgt wird von einem weiteren sekundären Verfahrensschritt c), in dessen Verlauf beispielsweise die Platine zur Bildung des fertigen Bauteils abgeschreckt und/oder geschmiedet und/oder umgeformt etc. wird. Wesentlich ist nur, dass für diese weiteren Behandlungsschritte c) eine Korrosionsschutzbeschichtung 2 der Platine 3b zur Verhinderung der Zunderbildung erwünscht ist.
Diese Korrosionsschutzbeschichtung 2 kann erfindungsgemäß simultan zur Erwärmung in das Austenitgebiet (Austenitisierung) aufgetragen werden, so dass es gelingt, ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Stahlbauteils 1 bereitzustellen, welches sicher vor Zunderbildung geschützt ist, ohne dass für diese Qualitätsabsicherung ein zusätzlicher Aufwand an Zeit und Energie erforderlich ist. Ein Abkühlungs- und/oder Formgebungsprozess zum Härten und/oder Endformgeben des Stahlbauteils kann sich getrennt voneinander oder in kombinierter Durchführung anschließen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils (1) mit einer Korrosionsschutzbeschichtung (2) mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Platine (3a) aus einem härtbaren Stahlmaterial, b) Erwärmung der beschichteten Platine (3b) auf eine Zieltemperatur oberhalb ihrer Austenitisierungstemperatur unter gleichzeitiger Beschichtung zumindest eines Teiles einer Oberfläche der Platine (3a) mit einer Korrosionsschutzbeschichtung, c) weitere thermische und/oder mechanische Verfahrensschritte zur Herstellung des gehärteten Stahlbauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt b) durch Eintauchen der Platine (3a) in ein auf eine Zieltemperatur erwärmte Beschichtungsflüssigkeit, insbesondere ein Beschichtungsbad (4) in einem Beschichtungsbehälter (5), erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsbehälter (5) an eine regelbare Stromquelle angeschlossene Beheizungselemente (6) aufweist zur Einstellung der Temperatur des Beschichtungsbads (5).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe der Platine (3a) in das Beschichtungsbad (4) und/oder die Höhe des Beschichtungsbads (4) in dem Beschichtungsbehälter (5) regelbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsbad (4) frei von Sauerstoff gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsbad (4) als Schmelzebad ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzebad (4) aus einer flüssigen Metallschmelze besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Metallschmelze (4) aus Zink, Aluminium oder einer daraus gebildeten Legierung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c) aus dem folgenden weiteren Behandlungsschritt besteht: – schnelles Abkühlen der erwärmten und beschichteten Platine (3b), um ein gehärtetes Bauteil (1) mit martensitischem Gefüge zu erhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c) aus dem folgenden weiteren Behandlungsschritt besteht: – Umformen der erwärmten und beschichteten Platine (3b) zu einem Bauteil (1), beispielsweise durch Schmieden, Walzen, Pressen oder Ziehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c) aus den folgenden weiteren Behandlungsschritten besteht: – Einlegen der erwärmten und beschichteten Platine (3b) in ein Pressformwerkzeug (7a, 7b) und Umformen der Platine (3b) zu einem Bauteil (1), – anschließendes schnelles Abkühlen des Bauteils (1), so dass eine Härtung des Bauteils (1) erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühl-Härten direkt in dem Pressformwerkzeug (7a, 7b) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen der Platine (3b) bzw. des Bauteils (1) in Öl; Wasser oder Luft, insbesondere in bewegter Atmosphäre, vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verfahrensschritt a) und dem Verfahrensschritt c) die Platine (3a) in ein Umformwerkzeug eingebracht und durch dieses kalt umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (3a) im Verfahrensschritt b) nur bereichsweise beschichtet und/oder erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Bereiche der Platine (3a) im Verfahrensschritt b) beschichtet und erwärmt werden, auf die in zumindest einem weiteren Behandlungsschritt (Verfahrensschritt c)), insbesondere mechanisch und/oder umformend eingewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Verfahrensschritt c) die Platine (3b) oder das Stahlbauteil (1) materialabtragend bearbeitet wird, wobei die Materialabtragsbereiche der Platine (3b) bzw. des Bauteils (1) im Verfahrensschritt b) nicht beschichtet werden, so dass der Materialabtrag wieder zurück in den Herstellungsprozess der Platine (3a) geführt werden kann.
Halbzeug eines gehärteten Stahlbauteils, aufweisend eine bei erhöhter Temperatur, insbesondere oberhalb der Austenitisierungstemperatur, aufgebrachte Korrosionsschutzbeschichtung.
Stahlbauteil, insbesondere Karroseriebauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
Korrosionsschutzbeschichtungsmittel (4), insbesondere Flüssigkeit, wie z. B. Aluminium oder Zink, zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17.