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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Strukturbauteil, für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Ein solches Bauteil und ein solches Verfahren sind aus der
US 2012/0118437 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Bauteil weist einen aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper auf. Der Grundkörper ist zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung versehen. Somit handelt es sich bei dem Grundkörper um ein Stahlsubstrat, welches mit der Beschichtung versehen, das heißt beschichtet ist.
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Die Beschichtung weist eine erste Schicht und wenigstens eine in Überdeckung mit der ersten Schicht angeordnete, zweite Schicht auf. Dabei weist die erste Schicht zumindest Zink auf. Die erste Schicht ist zwischen dem Grundkörper und der zweiten Schicht angeordnet.
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Bei dem Grundkörper handelt es sich beispielsweise um ein warmumformbares Blech, wobei der Grundkörper beispielsweise aus Borstahl gebildet ist. Im Rahmen einer Warmumformung wird der Grundkörper zusammen mit der Beschichtung hohen Temperaturen ausgesetzt. Üblicherweise wird eine wenigstens zwei Schichten aufweisende Beschichtung auch als „Beschichtungssystem” bezeichnet. Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind dabei zwei Beschichtungssysteme für warmumformbare Stahlbleche bekannt: bei einem ersten dieser Beschichtungssysteme handelt es sich um eine Feuerverzinkung, wobei es sich bei dem zweiten Beschichtungssystem um eine Feueraluminierung handelt. Dies bedeutet, dass der Stahl des Grundkörpers entweder feuerverzinkt oder feueraluminiert ist. Derartige feuerverzinkte oder feueraluminierte Stähle kommen beispielsweise in der Serienproduktion von pressgehärteten Strukturbauteilen, insbesondere für Kraftwagen, zum Einsatz.
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Feuerverzinkte Stähle bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit aufgrund der reduzierten elektrochemischen Spannung im Vergleich zum Stahlsubstrat (kathodischer Korrosionsschutz). Hierdurch sind folgende Phänomene bei dieser Art der Beschichtung problematisch: während der Warmumformung entsteht bei hohen Temperaturen eine Flüssigmetallversprödung. Flüssiges Zink diffundiert in Korngrenzen des Stahlsubstrats und führt zur Rissbildung in dem Substrat. Dieses Phänomen kann durch eine zweistufige Umformung vermieden werden. Hierbei erfolgt eine konventionelle Umformung bei Raumtemperatur. Anschließend erfolgt ein Presshärten mit geringem Umformungsgrad. Dabei erfolgt eine Verdampfung der Zinkauflage, was einen Verlust von Korrosionsschutzmaterial bedeutet. Ferner erfolgt eine Oxidation der Zinkauflage. Als Konsequenz werden diese Bauteile nach dem Umformprozess gereinigt oder gestrahlt, um beispielsweise Lackierarbeiten zu ermöglichen. Die Diffusionsphänomene von Eisen in die Beschichtung, aufgrund der Prozesstemperaturen bei der Warmumformung, verursachen eine Erhöhung des Eisen-Anteils auf der Oberfläche und eine Reduzierung des kathodischen Schutzes. Dadurch tritt Rotrost auf der Bauteiloberfläche auf.
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Feueraluminierte Stähle weisen eine gute Umformeigenschaft beim einstufigen Presshärten ohne Flüssigmetallversprödung und ohne Rissbildung im Stahlsubstrat auf. Eine solche Beschichtung führt zu stabilen Korrosionsprodukten und eine Reinigung des warmumgeformten Produkts ist nicht erforderlich. Jedoch ist bei dieser Art von Beschichtung folgendes Phänomen problematisch: eine Feueraluminierung bietet keinen galvanischen Schutzeffekt. Mit anderen Worten kann das Bauteil nicht durch das Prinzip der Opferanode vor Korrosion beschützt werden. Die Diffusionsphänomene von Eisen in die Beschichtung, aufgrund der Prozesstemperaturen bei der Warmumformung, verursachen eine Erhöhung des Eisen-Anteils auf der Oberfläche. Dadurch tritt Rotrost auf der Bauteiloberfläche auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauteil und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchen die genannten Probleme vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Bauteil mit einem Beschichtungssystem zu schaffen, bei welchem die eingangs genannten Probleme vermieden werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Schicht aus Zink-Kobalt (ZnCo), Zink-Mangan (ZnMn) oder einer anderen Zink-Legierung gebildet ist. Die erste Schicht weist zumindest Zink (Zn). Vorzugsweise ist die erste Schicht aus im Wesentlichen reinem Zink gebildet. Darunter ist beispielsweise zu verstehen, dass die erste Schicht mehr als 99 Gewichtsprozent (Gew.-%) Zink aufweist. Durch die Verwendung von Zink (erste Schicht), insbesondere reinem Zink, oder einer zinklegierten Auflage in Form der ersten Schicht ist ein kathodischer Korrosionsschutz realisierbar. Eine Verminderung der Flüssigmetallversprödung und der Zink-Verdampfung in der zweiten Schicht lässt sich durch die Legierung von Zink realisieren, da Zink-Kobalt (ZnCo) und Zink-Mangan (ZnMn) besonders hohe Schmelzpunkte im Vergleich zu reinen Zinkauflagen aufweisen. Darüber hinaus können stabile Korrosionsprodukte mit einer reduzierten Auflösungsgeschwindigkeit und ein kathodischer Korrosionsschutz durch die Legierung von Zink in der zweiten Schicht realisiert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Beschichtung wenigstens eine in Überdeckung mit der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete, dritte Schicht auf, welche als Oxidations- oder Verdampfungssperrschicht oder als Passivierung der zweiten Schicht ausgebildet ist. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Schicht und die zweite Schicht zwischen dem Grundkörper und der dritten Schicht angeordnet sind. Die dritte Schicht ist somit eine Deckschicht, welche vorzugsweise direkt auf die zweite Schicht aufgebracht ist. Mittels dieser Deckschicht lässt sich eine Verminderung der Zink-Verdampfung sowie der Zinkoxidation realisieren. Außerdem ist eine Reduzierung der Haftung von flüssigem Zinkmaterial aus der ersten Schicht auf den Presswerkzeugen zur Warmumformung, bzw. Presshärten, zu erwarten.
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Die Beschichtung stellt ein Beschichtungssystem dar, das beispielsweise durch ein PVD-Verfahren (PVD – Physical Vapour Deposition – Physikalische Gasphasenabscheidung), ein CVD-Verfahren (CVD – Chemical Vapour Deposition – Chemische Gasphasenabscheidung), ein Tauchverfahren, ein Slurry-Verfahren, galvanische oder elektrolytische Verfahren sowie durch thermisches Spritzen hergestellt werden kann.
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Als Beschichtungswerkstoff der dritten Schicht kann beispielsweise wenigstens eine Oxid-, Nitrid-, Sulfid-, Carbid-, Hydrat-, Silicat-, Chromat-, Molybdat-, Wolfram-, Vanadat-, Titanat-, Borat-, Carbonat-, Chlorid- oder Phosphat-Verbindung eines unedlen Metalls zum Einsatz kommen. Hierbei ist ebenfalls die Verwendung von Erdalkalimetallen, Alkalimetallen, Halbmetallen sowie von Übergangsmetallen denkbar. Es wurde gefunden, dass sich besonders vorteilhafte Eigenschaften der dritten Schicht realisieren lassen, wenn Materialien aus folgender Gruppe verwendet werden: Zink-, Mangan-, Magnesium-, Cobalt-, Aluminium-, Chrom- (III), Molybdän-, Titan-, Wolfram-, Vanadium-, Boroxid- sowie Zinkchromate, Zinkmolybdat, Zinkwolframat, Zinkvanadat, Zinktitanat, Zinkborat.
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Darüber hinaus wurde gefunden, dass sich als Beschichtungswerkstoff für die dritte Schicht besonders gut Metallphosphate aus metallischem Salz der Phosphor- oder Diphosphorsäure mit Metallen aus folgender Gruppe eignen: Cu, Mo, Fe, Mn, Sb, Zn, Ti, Ni, Co, V, Mg, Bi, Be, Al, B, Ce, Ba, Sr, Na, K, Ge, Ga, Ca, Cr, In, Sn.
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Zur Realisierung einer hohen thermischen Stabilität ist es vorteilhaft, wenn die aufgebrachten Materialien der dritten Schicht, das heißt die Beschichtungswerkstoffe der dritten Schicht einen Schmelzpunkt von mindestens 600 Grad Celsius aufweisen, um die Oxidation sowie die Verdampfung von unteren Schichten zu vermeiden.
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Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die dritte Schicht als keramische Schicht beziehungsweise Beschichtung ausgebildet sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, die dritte Schicht als keramische Beschichtung mit Materialien aus folgender Gruppe auszugestalten: MgAl2O4, TiAlN, TiAlO, CoO, SiO2, Al2O3, MgO2, MnO2, Mn2O3, CaO, Fe2O3, ZnO, SnO2, TiO2, ZrO2, Cr2O3.
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Dank des hohen Schmelzpunktes weisen diese keramischen Beschichtungen ebenfalls sehr gute Eigenschaften zur Reduzierung der Haftung an den Presswerkzeugen zum Presshärten auf.
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Der Erfindung liegt die Idee beziehungsweise die Erkenntnis zugrunde, dass bei warmumgeformten Bauteilen, insbesondere bei pressgehärteten Bauteilen, insbesondere zwei Oxidationsphänomene auftreten können. Ein erstes dieser Oxidationsphänomene wird beispielsweise am Fahrzeug durch eine Belastung des Bauteils durch eine wässrige Umgebung mit Salzen bewirkt. Zum zweiten Oxidationsphänomen kann es bei der Bauteilherstellung selbst kommen. Das zweite Oxidationsphänomen wird beispielsweise durch eine oxidierende Umgebung während der Erwärmungsphase des Presshärtens bewirkt.
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Um nun das erste Oxidationsphänomen zu vermeiden, können beispielsweise Korrosionsschutzschichten als Opferanode verwendet werden. Eine Opferanode weist ein geringeres elektrochemisches Potential im Vergleich zu Außenlegierungen auf. Um beispielsweise das zweite Oxidationsphänomen zu vermeiden, kann eine zusätzliche Deckschicht (dritte Schicht) verwendet werden. Diese Deckschicht weist eine Sperre gegen Oxidation der darunter liegenden Schichten (zweite Schicht und erste Schicht) auf und unterdrückt die Verdampfung.
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Herkömmlicherweise werden Antikorrosions-Beschichtungssysteme für Stahlbleche so gewählt, dass sie möglichst kostengünstig sind. Bei kaltumgeformten Blechen mag dies begründet sein. Beim Warmumformen jedoch spielen die Kosten, insbesondere die Materialkosten, eine untergeordnete Rolle, da das Verfahren des Warmumformens an sich so kostenintensiv ist, dass zusätzliche Kosten zum Herstellen der Beschichtung vernachlässigbar sind. Daher ist bei der Auswahl von Beschichtungssystemen für warmumgeformte Bleche das Hauptziel, einen möglichst guten Korrosionsschutz zu erreichen, auch wenn das zugehörige Beschichtungssystem in Bezug auf Applikation und/oder Materialkosten kostenintensiv ist. Dieses Ziel kann beim erfindungsgemäßen Bauteil realisiert werden.
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Insbesondere die Verwendung einer ZnMn-Schicht oder einer ZnCo-Schicht, insbesondere als zweite Schicht, kann eine besonders hohe Korrosionsschutzwirkung erzielt werden, denn ZnMn und ZnCo bilden stabile Korrosionsprodukte mit einer geringen Auflösungsgeschwindigkeit nach der Bildung von ZnCo und ZnMn intermetallischen Phasen, zusammen mit einem kathodischen Korrosionsschutz.
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Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren, bei welchem es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die zweite Schicht aus Zink-Kobalt, Zink-Mangan oder einer anderen Zink-Legierung und die erste Schicht zumindest aus Zink zeitlich vor dem Warmumformen gebildet wird. Dies bedeutet, dass der Grundkörper zusammen mit der Beschichtung warmumgeformt, insbesondere pressgehärtet, wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht durch ein Bauteil gemäß einer ersten Ausführungsform, welches einen aus einem Stahl gebildeten Grundkörper aufweist, der mit einer Beschichtung mit zwei in gegenseitiger Überdeckung angeordneten Schichten versehen ist, wobei eine der Schichten aus Zink und die andere Schicht aus einer Zinklegierung gebildet ist; und
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2 eine schematische Schnittansicht durch das Bauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Beschichtung drei in gegenseitiger Überdeckung angeordnete Schichten aufweist.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Bauteil gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Bauteil ist beispielsweise als Strukturbauteil eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, ausgebildet. Bei dem Bauteil 10 handelt es sich beispielsweise um ein Karosseriebauteil des Kraftwagens.
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Das Bauteil 10 weist einen Grundkörper 12 auf, welcher aus einem warmumformbaren Stahl gebildet ist. Im Rahmen der Herstellung des Bauteils 10 wird der Grundkörper 12 warmumgeformt, insbesondere pressgehärtet. Der Grundkörper 12 beispielsweise als Stahlblech ausgebildet.
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Das Bauteil 10 weist eine Beschichtung 14 auf, welche gemäß der ersten Ausführungsform eine erste Schicht 16 und eine zweite Schicht 18 aufweist. Bei dem Grundkörper 12 handelt es sich um ein Stahlsubstrat, das mit der Beschichtung 14 versehen ist. Für derartige Stahlsubstrate können beispielsweise härtbare Stähle und Tiefziehstähle verwendet werden, wobei zum Beispiel Mangan-Bor-Stähle und mikrolegierte Stähle Verwendung finden können. Der Grundkörper 12 ist zumindest in einem Teilbereich mit der Beschichtung 14 versehen. Da die Beschichtung 14 die zwei unterschiedlichen Schichten 16 und 18 umfasst, handelt es sich bei der Beschichtung 14 um ein sogenanntes „Beschichtungssystem”.
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Die zweite Schicht 18 weist zumindest Zink (Zn) auf. Vorliegend ist die zweite Schicht 18 aus ZnCo (Zink-Kobalt), ZnMn (Zink-Mangan) oder einer anderen Zink-Legierung gebildet. Auch die zusätzlich zur zweiten Schicht 18 vorgesehene, erste Schicht 16 weist zumindest Zn auf. Mit anderen Worten ist die erste Schicht 16 beispielsweise aus Zn gebildet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die erste Schicht 16 aus im Wesentlichen reinem Zink gebildet ist. Die erste Schicht 16 weist dabei zum Beispiel mehr als 99 Gewichtsprozent Zink auf, insbesondere zeitlich vor dem Warmumformen.
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Aus 1 ist erkennbar, dass die erste Schicht 16 zwischen dem Grundkörper 12 und der zweiten Schicht 18 angeordnet ist, wobei die erste Schicht 16 direkt auf dem Grundkörper 12 aufgebracht ist und somit diesen berührt. Die zweite Schicht 18 ist in gegenseitiger Überdeckung mit der ersten Schicht 16 angeordnet und direkt auf die erste Schicht 16 aufgebracht.
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Mittels des Beschichtungssystems (Beschichtung 14) kann ein kathodischer Korrosionsschutz realisiert werden. Ferner lassen sich stabile Korrosionsprodukte mit einer reduzierten Auflösungsgeschwindigkeit durch die Legierung von Zink in der zweiten Schicht 18 realisieren. Außerdem kann die Flüssigmetallversprödung und die Zink-Verdampfung in der zweiten Schicht 18 durch die Legierung von Zink infolge des erhöhten Schmelzpunkts von Zink vermindert werden. Mittels des Beschichtungssystems lassen sich somit sowohl besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Bauteils 10 realisieren bei gleichzeitiger Gewährleistung eines effektiven Korrosionsschutzes.
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2 zeigt das Bauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Beschichtung 14 (Beschichtungssystem) gemäß der dritten Ausführungsform nicht nur die Schichten 16 und 18, sondern auch eine dritte Schicht 20 umfasst. Die dritte Schicht 20 ist in Überdeckung mit den Schichten 16, 18 und dem Grundkörper 12 angeordnet und vorliegend direkt auf die zweite Schicht 18 aufgebracht. Dabei sind die Schichten 16 und 18 zwischen dem Grundkörper 12 und der dritten Schicht 20 angeordnet. Die dritte Schicht 20 ist somit eine Deckschicht, mittels welcher die Zink-Verdampfung sowie die Zinkoxidation vermindert werden kann. Darüber hinaus findet eine Reduzierung der Haftung von flüssigen Materialien von den unteren Schichten an den Presswerkzeugen zum Presshärten statt.
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Die Herstellung des Beschichtungssystems, das heißt die Herstellung der Schichten 16, 18 und gegebenenfalls 20 kann beispielsweise durch ein PVD-Verfahren (PVD – Physical Vapor Deposition – Physikalische Gasphasenabscheidung), ein CVD-Verfahren (CVD – Chemical Vapor Deposition – Chemische Gasphasenabscheidung), ein Tauchverfahren, ein Slurry-Verfahren, galvanische oder elektrolytische Verfahren sowie durch thermisches Spritzen erfolgen.
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Die Beschichtung 14 stellt ein zwei- oder dreistufiges Beschichtungssystem dar, das die Realisierung von besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften sowie gleichzeitig die Realisierung eines sehr guten Korrosionsschutzes von warmumgeformten, insbesondere pressgehärteten, Bauteilen ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0118437 A1 [0002]
