DE102014004652A1

DE102014004652A1 - Bauteil, insbesondere Strukturbauteil für einen Kraftwagen, sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils

Info

Publication number: DE102014004652A1
Application number: DE102014004652.4A
Authority: DE
Inventors: Damien Close; Peter Feuser; Regis Lallement; Robert Mayrhofer; Felix Raschke; Nicolas Stein; Albert Tidu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-03-29
Filing date: 2014-03-29
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere Strukturbauteil für einen Kraftwagen, mit einem aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper (12), welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung (14) versehen ist, die zumindest Zink aufweist, wobei die Beschichtung (14) aus Zink-Kobalt oder Zink-Mangan gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Strukturbauteil für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 3.
Ein solches Bauteil und ein solches Verfahren sind beispielsweise aus der WO 2013/056848 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Bauteil weist einen aus einem warmumformbaren stahlgebildeten Grundkörper auf, welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung weist zumindest Zink auf.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils wird der Grundkörper zumindest in dem Teilbereich mit der Beschichtung versehen und zusammen mit der Beschichtung warmumgeformt.
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 eine Schicht 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.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Um ein Bauteil mit einer Beschichtung zu schaffen, bei welchem die eingangs genannten Probleme vermieden werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung aus Zink-Kobalt (ZnCo) oder Zink-Mangan (ZnMn) gebildet ist. Durch die Ausgestaltung der Beschichtung aus Zink-Kobalt oder Zink-Mangan weist die Beschichtung einen höheren Schmelzpunkt auf, als wenn die Beschichtung aus reinem Zink (Zn) gebildet wäre. Darüber hinaus kann die Flüssigmetallversprödung durch den hohen Schmelzpunkt von Zink-Kobalt und Zink-Mangan gemindert beziehungsweise besonders geringgehalten werden. Des Weiteren kann eine Zink-Verdampfung im Vergleich zur Ausgestaltung der Beschichtung aus reinem Zink gemindert werden.
Die aus Zink-Mangan oder Zink-Kobalt gebildete Beschichtung stellt eine zinklegierte Auflage dar, welche einen kathodischen Korrisionsschutz bietet, denn ZnMn und ZnCo bilden stabile Korrisionsprodukte mit einer geringen Auflösungsgeschwindigkeit nach der Bildung von ZnCo und ZnMn intermetallischen Phasen.
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.
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 Deckschicht verwendet werden. Diese Deckschicht weist eine Sperre gegen Oxidation der darunter liegenden Schichten auf und unterdrückt die Verdampfung. Die Flüssigmetallversprödung und die Diffusion von Eisen in die Beschichtung werden durch die Verwendung einer legierten oder keramischen Schicht mit einem erhöhten Schmelzpunkt vermieden. Hierzu ist es vorzugsweise vorgesehen, wenn die Beschichtung direkt auf das Stahlsubstrat aufgebracht ist, das heißt das Stahlsubstrat berührt.
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 Beschichtungen 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.
Insbesondere die Verwendung einer ZnMn-Beschichtung oder einer ZnCo-Beschichtung, insbesondere als einzige 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.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren, bei welchem es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Beschichtung aus Zink-Kobalt oder Zink-Mangan gebildet ist. Dabei wird der Grundkörper zeitlich vor dem Warmumformen mit der Beschichtung versehen, sodass 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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen Figur ausschnittsweise eine schmale Schnittansicht durch ein Bauteil, wobei einer aus einem Stahl gebildeter Grundkörper des Bauteils mit einer Beschichtung versehen ist, die aus Zink-Kobalt oder Zink-Mangan gebildet ist.
Die Figur zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Bauteil. Bei dem Bauteil handelt es sich beispielsweise um ein Strukturbauteil für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Bauteil 10 kann insbesondere ein Karosseriebauteil des Kraftwagens sein.
Das Bauteil 10 weist einen Grundkörper 12 auf, welcher aus einem warmumformbaren Stahl gebildet ist. Im Rahmen der Herstellung des Bauteils 10 wird der beispielsweise als Stahlblech ausgebildete Grundkörper 12 warm umgeformt, insbesondere pressgehärtet. In der einzigen Figur ist erkennbar, dass das Bauteil 10 auch eine Beschichtung 14 aufweist, mit welcher der Grundkörper 12 beschichtet ist. Mit anderen Worten ist der Grundkörper 12 mit der Beschichtung 14 versehen. Vorzugsweise wird die Beschichtung 14 vor dem Warmumformen(Presshärten) des Grundköpers 12 auf diesen aufgebracht, sodass also die Beschichtung 14 zusammen mit dem Grundkörper 12 warm umgeformt wird. Der Grundkörper 12 ist somit ein Stahlsubtrat, welches mit der Beschichtung versehen, d. h. beschichtet ist.
Vorliegend ist die Beschichtung 14 direkt auf den Grundkörper 12 aufgebracht, sodass die Beschichtung 14 den Grundkörper 12 berührt. Die Beschichtung 14 weist genau eine Schicht auf. Diese eine Schicht, d. h. die Beschichtung 14 ist aus Zink-Kobalt (ZnCo) oder Zink-Mangan (ZnMn) gebildet. Durch die Verwendung von Zink-Mangan oder Zink-Kobalt kann eine besonders hohe Korrosionsschutzwirkung erzielt werden. Ferner weist die Beschichtung 14 einen höheren Schmelzpunkt als reines Zink auf. Des Weiteren lassen sich im Vergleich zu reinem Zink die Flüssigmetallversprödung und die Zink-Verdampfung, insbesondere beim Warmumformen, zumindest mindern.
Das Stahlsubstrahl, d. h. der Grundkörper 12 ist vorzugsweise aus einem härtbaren Stahl oder einem Tiefziehstahl gebildet, wobei es sich beispielsweise um einen Bohrstahl beziehungsweise Mangan-Bohr-Stahl und mikrolegierte Stähle handeln kann.
Die Beschichtung 14, kann beispielsweise durch ein PVD-Verfahren (PVD-Physical Vapour Disposition – physikalische Gasphasenabschaltung), ein CVD-Verfahren (CVD – Chemical Vapour Disposition – chemische Gasphasenabschaltung) in Tauchverfahren, ein Slurry-Verfahren, galvanische oder elektrolytische Verfahren sowie durch thermische Spritzen hergestellt beziehungsweise auf den Grundkörper 12 aufgebracht werden.
Durch das Beschichtungssystem können besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Bauteils 10 realisiert werden. Gleichzeitig wäre möglich die Beschichtung 14 die Realisierung eines sehr guten Korrosionsschutzes von warmumgeformten, insbesondere pressgehärteten Bauteilen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/056848 A1 [0002]

Claims

Bauteil, insbesondere Strukturbauteil für einen Kraftwagen, mit einem aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper (12), welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung (14) versehen ist, die zumindest Zink aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (14) aus Zink-Kobalt oder Zink-Mangan gebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (14) direkt auf dem Grundkörper (12) angeordnet ist und diesen berührt.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10), bei welchem ein aus einem warmumformbaren Stahl gebildeter Grundkörper (12) zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung (14), die zumindest Zink aufweist versehen und anschließend zusammen mit der Beschichtung (14) warmumgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (14) aus Zink-Kobalt oder Zink-Mangan gebildet wird.