DE102012024616A1

DE102012024616A1 - Stahlblech und Formteil daraus

Info

Publication number: DE102012024616A1
Application number: DE102012024616.1A
Authority: DE
Inventors: Hartmut BAUMGART; Ronald Sanders
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-06-18
Also published as: US20140170438A1; US20160348209A1; US10227673B2; CN103866363A

Abstract

Ein Stahlblech, insbesondere ein presshärtendes Stahlblech, umfasst eine Substratschicht (1) aus Stahl und eine galvanisch auf die Substratschicht (1) aufgetragene Korrosionsschutzschicht (2), die Zink und Mangan mit einem Anteil von wenigstens 5 Gew.-% enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stahlblech, insbesondere ein presshärtendes Stahlblech, sowie ein daraus hergestelltes Stahlformteil.
Presshärtende oder PHS-Stahlbleche sind in den letzten Jahren des 20. Jahrhunderts aufgekommen, aus ihnen lassen sich Teile mit extrem hoher Festigkeit fertigen, indem das Stahlblech über die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird und durch Abkühlung während des Pressens ein im Wesentlichen rein martensitisches Gefüge erhalten wird. Es ist gebräuchlich, diese Stahlbleche als Korrosionsschutz mit einer Zinkbeschichtung zu versehen. Eine solche Schicht kann galvanisch oder durch Tauchen in eine Zinkschmelze erhalten werden. Die Schmelztemperatur von reinem Zink beträgt 420°C und ist damit niedrig genug, um den Stahl beim Tauchen in das Zinkbad nicht anzugreifen und sein Kristallgefüge nicht zu verändern. Daher kann durch Tauchen bzw. Feuerverzinken eine Korrosionsschutzschicht auf großen Flächen schnell und preiswert erzeugt werden.
Die Siedetemperatur des Zinks liegt bei ca. 906°C. Wenn das Stahlblech über die Austenitisierungstemperatur, d. h. über 900°C, erhitzt wird, besteht daher die Gefahr, dass die Zinkschicht verdampft. DE 20 2004 021 264 U1 schlägt vor, die Zinkschicht mit einer kleinen Menge eines sauerstoffaffinen Elements zu versetzen, das an der Oberfläche der Zinkschicht eine Oxidhaut ausbildet und dadurch das Abdampfen des Zinks verhindern soll. Unter den dafür empfohlenen Elementen Magnesium, Silizium, Titan, Calcium, Aluminium, Bor und Mangan sind Silizium, Aluminium und Nickel bekannt dafür, eine luftdichte Passivierungsschicht an ihrer Oberfläche auszubilden, die darunter liegendes Metall vor Oxidation schützt. Die in dem Dokument beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden ausschließlich Aluminium als sauerstoffaffines Element.
Selbst wenn durch den Zusatz des sauerstoffaffinen Elements tatsächlich eine dichte Oxidhaut auf der Oberfläche der Zinkschicht erhalten wird, ist diese nicht in der Lage, ein anderes bei der Verarbeitung von verzinkten presshärtenden Blechen auftretendes Problem zu beheben, nämlich die sogenannte Flüssigmetallkorrosion. Der Begriff steht für ein Eindringen des flüssigen Zinks entlang von Korngrenzen des Stahls, das zu einer Versprödung der aus dem Blech gefertigten Formteile führt.
DE 20 2004 021 264 U1 erwähnt auch die Technik des „Galvannealing”, bei der ein feuerverzinktes Blech über die Schmelztemperatur des Zinks erhitzt wird, um durch Diffusion die Zinkschicht in eine -ebenfalls als Korrosionsschutz wirksame-Zink-Eisen-Legierungsschicht umzuwandeln. Auch hier besteht die Gefahr der Flüssigmetallkorrosion.
Um die Versprödung durch Flüssigmetallkorrosion zu vermeiden, ist es bisher notwendig, das Stahlblech so langsam auf die Austenitisierungstemperatur zu erhitzen, dass die Oberflächenschicht aus Zink eine Zink-Eisen-Legierungschicht bilden kann ohne dass eine schmelzflüssige Phase auftritt. Die Notwendigkeit, das Stahlblech langsam zu erhitzen, führt zu langen Zykluszeiten und beeinträchtigt erheblich die Produktivität der Teilefertigung aus einem solchen Stahlblech.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Stahlblech zu schaffen, das sich zur Fertigung von hochfesten Stahlformteilen bei kurzen Zykluszeiten eignet.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Stahlblech, insbesondere einem presshärtenden Stahlblech, mit einer Substratschicht aus Stahl und einer Zink und Mangan enthaltenden Korrosionsschutzschicht die Korrosionsschutzschicht galvanisch auf die Substratschicht aufgetragen ist und einen Mangananteil von wenigstens 5 Gew.-% aufweist.
Im Gegensatz zu einem Aluminiumzusatz, der schmelzpunkterniedrigend wirkt und die Bildung der Zink-Eisen-Legierungsschicht hemmt, bewirkt der Zusatz von Mangan zu einer Zinkschmelze eine erhebliche Schmelzpunkterhöhung; bei einem Mangananteil von 5% liegt der Schmelzpunkt bereits deutlich über 500°C und erreicht damit eine Temperatur, bei der die Legierungsbildung an der Oberfläche des Stahlblechs durch Diffusion des Zinks in den Stahl bzw. von Eisen in das Zink stattfindet. Folglich kann die Erzeugung der Zink-Eisen-Legierungsschicht vollständig in der festen Phase ablaufen, und die Gefahr von Flüssigmetallkorrosion ist gebannt.
Eine Feuerverzinkung kommt für die Herstellung des erfindungsgemäßen Bleches nicht in Betracht, da ein dafür verwendetes Zn-Mn-Bad eine so hohe Temperatur haben müsste, dass sich bereits während des Verzinkens die Zink-Eisen-Legierungsschicht zu bilden beginnen würde und Veränderungen der Gefügestruktur des Stahl auftreten können. Deswegen ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Korrosionsschutzschicht aus Zn und Mn galvanisch aufzutragen.
Die durch den Manganzusatz bewirkte Schmelzpunkterhöhung der Korrosionsschutzschicht bewirkt gleichzeitig eine Verkleinerung des Temperaturbereichs, in dem die Korrosionsschutzschicht während des Erhitzens auf Austenitisierungstemperatur flüssig vorliegen kann und verringert dadurch die Gefahr eines ungewollten Schmelzens der Schicht. Auf diese Weise kann die Aufheizzeit der Austenitisierungsbehandlung gegenüber der für ein herkömmliches, mit einer niedrig schmelzenden Zinkschicht versehenes Formteil benötigten um 1 bis 2 min verkürzt werden.
Grundsätzlich ist ein Mangananteil von wenigstens 5 Gew.-% ausreichend, um das Stahlblech so hoch erhitzen zu können, dass das Zink eindiffundiert und die bereits erwähnte Zink-Eisen-Legierungsschicht bildet. Ein höherer Anteil an Mangan ermöglicht jedoch ein schnelleres Aufheizen, da eine höhere Temperatur erreicht werden kann, ohne dass die Korrosionsschutzschicht schmilzt, und bei dieser höheren Temperatur die Diffusion des Zinks schneller abläuft.
Daher ist ein Mangananteil der Korrosionsschutzschicht von wenigstens 8 Gew.-% bevorzugt und noch besser einer von über 15 Gew.-%.
Der Mangananteil sollte 25 Gew.-% vorzugsweise nicht überschreiten, denn die durch einen noch höheren Mangananteil erreichbare Schmelzpunkterhöhung bringt keinen Nutzen mehr, wenn vor Erreichen der Schmelztemperatur bereits die Diffusion des Zinks in die Stahloberfläche stattgefunden hat. Höhere Mangananteile bewirken dann allenfalls noch eine Verstärkung der Zunderschicht, die sich während der Wärmebehandlung auf dem Blech bildet und die beseitigt werden sollte, bevor das aus dem Blech gefertigte Formteil verschweißt, verklebt oder anderweitig weiterverarbeitet wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch das aus dem oben beschriebenen Stahlblech durch Erhitzen und Umformen bei gleichzeitiger Abkühlung erhaltene Formteil.
Vorzugsweise umfasst die Korrosionsschutzschicht eines solchen Stahlformteils eine manganreiche Oberflächenlage und eine an Mangan verarmte Unterlage. Indem die weitgehend oxidische Oberflächenlage beseitigt wird, kann ein Stahlformteil erhalten werden, dessen freiliegende Oberfläche im Wesentlichen nur noch aus der an Mangan verarmten Unterlage besteht und die die bekannte, gute Korrosionsschutzwirkung einer Zink-Eisen-Legierung besitzt.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Stahlformteils aus einem Stahlblech der oben beschriebenen Art mit den Schritten:

– Erhitzen des Stahlblechs auf Austenitisierungstemperatur;
– Umformen des Stahlblechs bei gleichzeitiger Abkühlung; und
– Beseitigen einer manganreichen Oberflächenlage des umgeformten Stahlblechs.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Stahlblech;
2 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Schmelztemperatur und Mangangehalt einer Zink-Mangan-Legierung;
3 einen Schnitt durch ein aus dem Stahlblech der 1 erhaltenes Formteil unmittelbar nach dem Presshärten; und
4 einen Schnitt durch das Formteil in einem zur Weiterverarbeitung bereiten Zustand.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes PHS-Stahlblech. Auf einem Substrat 1 aus Stahl ist eine primäre Korrosionsschutzschicht 2 aus Zink und wenigstens 5, besser 8 Gew.-% Mangan galvanisch abgeschieden. Die Dicke der primären Korrosionsschutzschicht 2 beträgt typischerweise zwischen 10 und 50 μm.
Der Graph der 2 zeigt die Schmelztemperatur einer Zink-Mangan-Legierung als Funktion ihres Mangangehalts. Der Schmelzpunkt des reinen Zinks beträgt 420°C. Bereits ein Mangananteil von (8) 5% genügt, um eine Schmelztemperatur von über 500°C zu erreichen, d. h. einen Temperaturbereich, in dem an einer Eisen-Zink-Grenzschicht Diffusion stattfindet und eine Zink-Eisen-Legierung entsteht. Ein Manganzusatz von (8) 5% ist daher ausreichend, um eine solche Legierungsbildung ohne zwischenzeitliche Verflüssigung des Zinks ablaufen zu lassen.
Mit zunehmendem Mangananteil steigt der Schmelzpunkt weiter; bei einem Anteil von 10 Gew.-% liegt er knapp über 600°C. Bis auf diese Temperatur könnte demnach das in 1 gezeigte Stahlblech schlagartig erhitzt werden, ohne dass die primäre Korrosionsschutzschicht 2 schmilzt. Die in der Praxis zum Erhitzen auf diese Temperatur benötigte Zeit genügt, um an der Grenze zwischen Stahlsubstrat 1 und Korrosionsschutzschicht 2 wie in 3 gezeigt eine Zn-Fe-Legierungsschicht als sekundäre Korrosionsschutzschicht 3 zu bilden, die die primäre Korrosionsschutzschicht 2 komplett aufzehrt oder, falls die primäre Korrosionsschutzschicht 2 stark genug oder der Temperaturanstieg so schnell ist, dass es doch noch zu einer Verflüssigung der primären Korrosionsschutzschicht 2 kommt, das Stahlsubstrat 1 vor einem direkten Kontakt mit ihr schützt.
Bei einem Mangananteil von 15 Gew.-% wird ein Schmelzpunkt von ca. 670°C erreicht. Der Schutz vor einem Angriff des Stahlsubstrats 1 durch flüssiges Zink bei hoher Temperatur bzw. die Geschwindigkeit der Diffusion, durch die ohne Verflüssigung die Zn-Fe-Legierungsschicht 3 entsteht, ist hier noch weiter erhöht.
Da der Schmelzpunkt von Mangan über der Austenitisierungstemperatur des Stahlblechs von ca. 900°C liegt, könnte durch einen noch höheren Mangananteil ein Schmelzen der Korrosionsschutzschicht 2 während der Austenitisierungsbehandlung vollständig ausgeschlossen werden. Dies ist jedoch aufgrund der oben beschriebenen Bildung der Zink-Eisen-Diffusionsschicht weder nötig, noch ist es wünschenswert, denn die Diffusion führt nicht nur zu einem Eindringen des Zinks aus der primären Korrosionsschutzschicht 2 in das Stahlsubstrat 1 und von Eisen aus dem Stahlsubstrat 1 in die primäre Korrosionsschutzschicht 2, sondern auch zu einer Wanderung des Mangans aus der primären Korrosionsschutzschicht 2 an die Oberfläche des Blechs, wo es durch Luftsauerstoff oxidiert und dadurch gebunden bleibt. Die Oberfläche des Blechs bildet somit eine Senke, zu der das Mangan zwar hinwandert, von der aber keine Diffusion zurück in die primäre Korrosionsschutzschicht 2 stattfindet. Stattdessen entsteht an der Oberfläche des Blechs eine Oxidschicht 4 mit hohem Mangananteil, während der Mangananteil der sekundären Korrosionsschutzschicht 3 und, sofern sie bei der Bildung der sekundären Korrosionsschutzschicht 3 nicht vollständig aufgezehrt wird, der primären Korrosionsschutzschicht 2 niedriger ist als der der Korrosionsschutzschicht 2 vor der Austenitisierungsbehandlung.
Die Schichtstruktur aus Stahlsubstrat 1, sekundärer Korrosionsschutzschicht 3, eventuell übriggebliebener, aber an Mangan im Wesentlichen vollständig verarmter primärer Korrosionsschutzschicht 2 und Oxidschicht 4 bleibt erhalten, wenn aus dem Blech ein Formteil pressgeformt wird. Indem das Pressformen des Bleches bei gleichzeitiger Abkühlung erfolgt, erhält das Stahlsubstrat 1 ein im Wesentlichen rein martensitisches Gefüge von höchster Festigkeit.
Durch Sandstrahlen oder eine andere geeignete Oberflächenbehandlung wird am fertigen Formteil die Oxidschicht 4 abgetragen, wie in 4 dargestellt, um eine saubere metallische Oberfläche zu erhalten, die zum Schweißen, Kleben, Lackieren oder anderweitige Verarbeitung geeignet ist. Diese metallische Oberfläche kann gemäß der Darstellung der 4 von der verbliebenen primären Korrosionsschutzschicht 2 und/oder von der sekundären Korrosionsschutzschicht 3 gebildet sein. Das in der ursprünglich in der auf das Stahlsubstrat 1 galvanisch abgeschiedenen primären Korrosionsschutzschicht 2 enthaltene Mangan ist durch das Abtragen der Oxidschicht 4 praktisch vollständig beseitigt, so dass die chemische Zusammensetzung der Schichten 2, 3 des fertigen Formteils sich nicht wesentlich unterscheidet von der eines aus einem herkömmlichen PHS-Stahlblech mit im Wesentlichen manganfreier Feuerverzinkungsschicht. Die Schnelligkeit, mit der das erfindungsgemäße Stahlblech bei der Austenitisierungsbehandlung erhitzt werden kann, ermöglicht jedoch die Fertigung der Formteile mit deutlich verkürzter Taktrate und dementsprechend besserer Wirtschaftlichkeit.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: primäre Korrosionsschutzschicht
3: sekundäre Korrosionsschutzschicht
4: Oxidschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004021264 U1 [0003, 0005]

Claims

Stahlblech, insbesondere presshärtendes Stahlblech, mit einer Stahl-Substratschicht (1) und einer Zink und Mangan enthaltenden Korrosionsschutzschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (2) galvanisch auf die Substratschicht (1) aufgetragen ist und einen Mangananteil von wenigstens 5 Gew.-% aufweist.
Stahlblech nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mangananteil der Korrosionsschutzschicht (2) von wenigstens 8 Gew.-%, vorzugsweise über 15 Gew.-%.
Stahlblech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mangananteil der Korrosionsschutzschicht (2) maximal 25% beträgt.
Pressgehärtetes Stahlformteil, erhalten aus einem Stahlblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch Erhitzen und Umformen bei gleichzeitiger Abkühlung.
Stahlformteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Korrosionsschutzschicht (2, 3, 4) mit einer manganreichen Oberflächenlage (4) und einer an Mangan verarmten Unterlage (2, 3) aufweist.
Verfahren zum Erzeugen eines Stahlformteils aus einem Stahlblech nach Anspruch 1 oder 2, mit den Schritten – Erhitzen des Stahlblechs auf Austenitisierungstemperatur; Umformen des Stahlblechs bei gleichzeitiger Abkühlung; und – Beseitigen einer manganreichen Oberflächenlage (4) des umgeformten Stahlblechs.