DE102016218688A1 - Process for producing a hydrogen-carrying steel component for use in motor vehicles, hydrogen-carrying steel component and motor vehicle with a hydrogen-carrying steel component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffführenden Stahlbauteils (1) zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen. Das Verfahren umfasst die Schritte: i) Herstellen eines Grundkörpers (2) aus Stahl mit einem Nickelgehalt kleiner als 13,0 Massenprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des Grundkörpers (2), ii) Beschichten des Grundkörpers (2) mit einer Kupferschicht (3) und iii) Durchführen einer Wärmebehandlung unter Einlegieren von Kupfer aus der Kupferschicht (3) in den Grundkörper (2) und Einlegieren von mindestens einem Stahlbestandteil aus dem Grundkörper (2) in die Kupferschicht (3).The invention relates to a method for producing a hydrogen-carrying steel component (1) for use in motor vehicles. The method comprises the steps of: i) producing a base body (2) made of steel with a nickel content of less than 13.0 percent by weight based on the total weight of the base body (2), ii) coating the base body (2) with a copper layer (3) and iii) performing a heat treatment with alloying copper from the copper layer (3) in the base body (2) and alloying of at least one steel component from the base body (2) in the copper layer (3).
Description
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffführenden Stahlbauteils zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Brennstoffzellenfahrzeugen, angegeben. Weiterhin werden ein wasserstoffführendes Stahlbauteil sowie ein Kraftfahrzeug mit einem wasserstoffführenden Stahlbauteil angegeben. The invention relates to a process for producing a hydrogen-carrying steel component for use in motor vehicles, in particular in fuel cell vehicles. Furthermore, a hydrogen-carrying steel component and a motor vehicle with a hydrogen-carrying steel component are specified.
Im Stand der Technik werden für wasserstoffführende Stahlbauteile üblicherweise Stähle mit einem Nickelgehalt von mindestens 13 Massenprozent eingesetzt, um eine ausreichend gute Wasserstoffbeständigkeit der Stahlbauteile zu gewährleisten. Ein Nachteil dieser im Stand der Technik eingesetzten wasserstoffführenden Stahlbauteile ist, dass diese Stähle aufgrund des hohen Nickelgehalts sehr kostenintensiv sind, insbesondere da Nickel eines der teuersten Hauptlegierungselemente ist.In the prior art steels with a nickel content of at least 13 percent by mass are usually used for hydrogen-carrying steel components in order to ensure sufficiently good hydrogen resistance of the steel components. A disadvantage of these hydrogen-carrying steel components used in the prior art is that these steels are very expensive due to the high nickel content, especially since nickel is one of the most expensive main alloying elements.
Es ist somit eine zu Iösende Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffführenden Stahlbauteils zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen anzugeben, das kostengünstig ist und ein Stahlbauteil mit hoher Wasserstoffbeständigkeit erzeugt. Weiter ist es Aufgabe ein wasserstoffführendes Stahlbauteil sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Stahlbauteil bereitzustellen, die sich durch eine hohe Wasserstoffbeständigkeit und damit durch eine geringe Versprödungsneigung bei geringen Kosten auszeichnen. It is therefore an object to solve a method for producing a hydrogen-carrying steel component for use in motor vehicles indicate that is inexpensive and produces a steel component with high hydrogen resistance. It is also an object to provide a hydrogen-carrying steel component and a motor vehicle with such a steel component, which are characterized by a high hydrogen resistance and thus by a low embrittlement tendency at low cost.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor. These objects are achieved by the subject matters according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments of the subject matter will be apparent from the dependent claims, the following description and from the drawings.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird somit ein Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffführenden Stahlbauteils beschrieben, wobei das Stahlbauteil zum Einsatz in Kraftfahrzeugen ausgebildet ist und insbesondere ein mechanisch beanspruchtes Stahlbauteil darstellt. Das Verfahren sieht in einem ersten Schritt ein Herstellen eines Grundkörpers aus Stahl mit einem Nickelgehalt kleiner als 13,0 Massenprozent und insbesondere kleiner als 12 Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Grundkörpers, vor. Der Grundkörper ist im Einzelnen nicht beschränkt und wird so ausgebildet, dass er zum Führen von Wasserstoff geeignet ist, was auch eine Lagerung bzw. Bevorratung von Wasserstoff in dem wasserstoffführenden Stahlbauteil mit einschließt. According to one aspect of the invention, therefore, a method for producing a hydrogen-carrying steel component is described, wherein the steel component is designed for use in motor vehicles and in particular represents a mechanically stressed steel component. The method provides, in a first step, for producing a base body made of steel with a nickel content of less than 13.0 percent by mass and in particular less than 12 percent by mass, based on the total weight of the main body. Specifically, the main body is not limited and is adapted to be capable of carrying hydrogen, which also includes storage of hydrogen in the hydrogen-carrying steel member.
Der Grundkörper wird insbesondere aus einem korrosionsbeständigen, austenitischen Stahl gebildet. Vorzugsweise besteht der Grundkörper aus einem Chrom-Nickel-Stahl. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird der Grundkörper aus einem ferritischen oder aus einem martensitischen Stahl gebildet. Weiterhin kann der Grundkörper ein mehrphasiges Gefüge mit austenitischen, ferritischen und/oder martensitischen Gefügebestandteilen aufweisen. Beispielsweise kann der Grundkörper aus einem Duplexstahl mit einem ferritischen und einem austenitischen Gefügebestandteil bestehen. Weiterhin kann der Grundkörper aus Stahl einen Kohlenstoffgehalt von kleiner als 0,2 Massenprozent aufweisen.The main body is formed in particular from a corrosion-resistant, austenitic steel. Preferably, the base body consists of a chromium-nickel steel. According to an alternative embodiment, the base body is formed from a ferritic or a martensitic steel. Furthermore, the base body may have a multi-phase structure with austenitic, ferritic and / or martensitic structural constituents. For example, the base body may consist of a duplex steel with a ferritic and an austenitic structural constituent. Furthermore, the steel body can have a carbon content of less than 0.2 mass percent.
In einem weiteren Schritt wird der Grundkörper mit einer Kupferschicht beschichtet. Die Kupferschicht bedeckt insbesondere alle in Kontakt mit Wasserstoff gelangenden Abschnitte des Grundkörpers und ganz besonders die Bereiche mit mechanischer Belastung und dient als Schutzschicht des Stahlbauteils vor Versprödung durch Wasserstoff. Das für die Kupferschicht verwendete Kupfer ist im Wesentlichen reines Kupfer, also bis auf technisch bedingte Verunreinigungen reines Kupfer, wobei die Summe der technischen Verunreinigungen maximal ein Masseprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht an Kupfer beträgt. In a further step, the base body is coated with a copper layer. In particular, the copper layer covers all portions of the body that come into contact with hydrogen, and more particularly the areas of mechanical stress, and serves as a protective layer of the steel component against embrittlement by hydrogen. The copper used for the copper layer is essentially pure copper, so pure copper except for technical impurities, the sum of the technical impurities is at most one mass percent, based on the total weight of copper.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Kupferschicht direkt auf eine Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht, wobei die Oberfläche des Grundkörpers vor dem Aufbringen der Kupferschicht zur Erzielung einer guten Haftfestigkeit mechanisch und/oder thermisch bearbeitet werden kann. Die Bearbeitung der Oberfläche des Grundkörpers vor dem Aufbringen der Kupferschicht kann beispielsweise mittels eines Strahlprozesses, wie z.B. durch Sandstrahlen, Wasserstrahlen oder Laserstrahlen, oder durch eine spannende Bearbeitung, wie z.B. durch Fräsen, Schleifen oder Drehen erfolgen. According to one embodiment, the copper layer is applied directly to a surface of the base body, wherein the surface of the base body can be processed mechanically and / or thermally before the application of the copper layer to achieve good adhesion. The processing of the surface of the base body before the application of the copper layer can be carried out, for example, by means of a blasting process, such as, for example, by sandblasting, jets of water or laser beams, or by exciting machining, e.g. done by milling, grinding or turning.
Das Verfahren zum Aufbringen der Kupferschicht ist im Einzelnen nicht beschränkt. Die Kupferschicht kann beispielsweise durch Plattieren oder galvanisch aufgebracht werden. Weiterhin kann die Kupferschicht z.B. chemisch, beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung, durch thermisches Spritzen, beispielsweise durch Plasmaspritzen, oder mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. The method for applying the copper layer is not limited in detail. The copper layer can be applied, for example, by plating or by electroplating. Furthermore, the copper layer may be e.g. be applied chemically, for example by means of chemical vapor deposition, by thermal spraying, for example by plasma spraying, or by physical vapor deposition.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auf dem Grundkörper eine weitere Schicht aufgebracht werden, die dann zwischen dem Grundkörper und der Kupferschicht angeordnet ist. Bei der Schicht kann es sich beispielsweise um eine haftvermittelnde Schicht oder um eine Funktionsschicht handeln, deren Wärmeausdehnungskoeffizient bevorzugt zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundkörpers und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Kupferschicht liegt.According to a further embodiment, a further layer can be applied to the base body, which is then arranged between the base body and the copper layer. The layer may be, for example, an adhesion-promoting layer or a functional layer whose coefficient of thermal expansion is preferably between the thermal expansion coefficient of the main body and the thermal expansion coefficient of the copper layer.
Anschließend wird der mit einer Kupferschicht beschichtete Grundkörper einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung wird mit solchen Parametern ausgeführt, dass ein Einlegieren von Kupfer aus der Kupferschicht in den Grundkörper und ein Einlegieren von mindestens einem Stahlbestandteil, insbesondere von Eisen, aber ggf. auch von Nickel und/oder Chrom, aus dem Grundkörper in die Kupferschicht erfolgt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Temperatur und die Behandlungsdauer so gewählt werden, dass einerseits ein Teil des Kupfers aus der Kupferschicht in den Stahl eindiffundiert und andererseits ein oder mehrere Bestandteile des Stahls, und darunter insbesondere Eisen, in die Kupferschicht eindiffundieren. Hierdurch werden im Stahlbauteil Bereiche gebildet, die auf einen kupferdotierten Stahl hinweisen. Das Einlegieren von z.B. Kupfer und/oder Nickel und/oder Eisen, sowie die Zusammensetzung des Stahlbauteils in seinen Teilabschnitten, kann mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) nachgewiesen werden. Das EDX-Verfahren kann auch dazu verwendet werden ein ausreichendes Einlegieren der jeweiligen Substanzen qualitativ zu analysieren und ggf. die Reaktionsbedingungen der Wärmebehandlung anzupassen. Die Wärmebehandlung erhöht dauerhaft die Haftfestigkeit der Kupferschicht auf dem Stahlgrundkörper. Subsequently, the coated with a copper layer body is subjected to a heat treatment. The heat treatment is carried out with parameters such that alloying of copper from the copper layer into the base body and alloying of at least one steel component, in particular iron, but possibly also nickel and / or chromium, from the base body into the copper layer. In other words, this means that the temperature and the duration of the treatment are chosen such that part of the copper from the copper layer diffuses into the steel and, secondly, one or more constituents of the steel, and in particular iron, diffuse into the copper layer. As a result, areas are formed in the steel component, which indicate a copper-doped steel. The alloying of, for example, copper and / or nickel and / or iron, as well as the composition of the steel component in its sections, can be detected by means of energy-dispersive X-ray analysis (EDX). The EDX method can also be used to qualitatively analyze a sufficient alloying of the respective substances and, if appropriate, to adapt the reaction conditions to the heat treatment. The heat treatment permanently increases the adhesive strength of the copper layer on the steel body.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit ein Stahlbauteil hergestellt, das sich durch eine hohe Wasserstoffbeständigkeit bzw. Wasserstoffresistenz auszeichnet. Durch das Aufbringen der Kupferschicht und die anschließende Wärmebehandlung wird einem Verspröden des Stahlbauteils dauerhaft vorgebeugt, so dass keine Risse im Stahlbauteil entstehen und dieses gegenüber Wasserstoff dicht bleibt. Die Wärmebehandlung dient hierbei der festen Verankerung der Kupferschicht am Stahlgrundkörper, so dass einem Abplatzen z.B. durch Abrasion von vorbeiströmendem Wasserstoff oder einem Abrieb durch mechanische Beanspruchung vorgebeugt wird. Das Verfahren ist einfach ohne hohen technischen Aufwand anwendbar und nicht zuletzt durch den niedrigen Gehalt an Nickel im Grundkörper kostengünstig. Durch die gute Wasserstoffresistenz kann das Stahlbauteil ferner mit einer geringeren Wandstärke ausgebildet werden, womit nicht nur eine Kostenreduktion sondern auch eine Gewichtsreduktion einhergeht. By the method according to the invention thus a steel component is produced, which is characterized by a high resistance to hydrogen or hydrogen resistance. The application of the copper layer and the subsequent heat treatment permanently prevent embrittlement of the steel component, so that no cracks occur in the steel component and this remains impermeable to hydrogen. In this case, the heat treatment serves to firmly anchor the copper layer to the steel base body, so that spalling, e.g. By abrasion of passing hydrogen or abrasion by mechanical stress is prevented. The method is simply applicable without high technical complexity and not least due to the low content of nickel in the body inexpensive. Due to the good resistance to hydrogen, the steel component can also be formed with a smaller wall thickness, which is not only a cost reduction but also a weight reduction.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Wärmebehandlung des gesamten Bauteils in einem Ofen, oder eine partielle Wärmebehandlung, insbesondere mittels einer induktiven Erwärmung oder unter Verwendung eines Lasers oder Elektronenstrahls (z.B. GESA) ausgeführt wird. Das Durchführen der Wärmebehandlung in einem Ofen bietet insbesondere dann Vorteile, wenn größere Teilabschnitte des mit der Kupferschicht beschichteten Grundkörpers zum Einlegieren von Kupfer in den Stahl und von mindestens einem Stahlbestandteil in die Kupferschicht erwärmt werden sollen. Bei Anwendung einer lokalen Wärmequelle können gezielt kleinere Teilabschnitte des Stahlbauteils erwärmt werden. Die Verwendung eines Lasers oder Elektronenstrahls ist insbesondere von Vorteil, wenn kurzzeitig lokal hohe Wärmemengen aufgebracht werden sollen, um ein Einlegieren zu forcieren. Zeitliche Einsparungen ergeben sich ferner durch die vorteilhafte Weiterbildung dass die Wärmebehandlung mittels GESA (gepulste Elektronenstrahlanlage) ausgeführt wird. Hierbei werden kurzfristig große Energiemengen aufgebracht, die ein Umschmelzen und damit ein Einlegieren von Kupfer bis in die Oberfläche des Stahlgrundkörpers hinein ermöglichen. Hierdurch wird die Haftfestigkeit der Kupferschicht auf dem Grundkörper bedeutend erhöht.An advantageous development of the method provides that the heat treatment of the entire component in an oven, or a partial heat treatment, in particular by means of an inductive heating or using a laser or electron beam (for example, GESA) is performed. Carrying out the heat treatment in an oven offers particular advantages if relatively large portions of the copper layer-coated base body are to be heated to alloy copper in the steel and at least one steel component into the copper layer. When using a local heat source targeted smaller sections of the steel component can be heated. The use of a laser or electron beam is particularly advantageous if locally high amounts of heat are to be applied for a short time in order to force alloying in. Time savings also result from the advantageous development that the heat treatment by means of GESA (pulsed electron beam system) is performed. This large amounts of energy are applied in the short term, which allow remelting and thus an alloying of copper into the surface of the steel body. As a result, the adhesion of the copper layer on the body is significantly increased.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 750 °C bis 1050 °C, insbesondere von 800 °C bis 950 °C ausgeführt. Bei den angegebenen Temperaturen sind sowohl der verwendete Stahl als auch das Kupfer noch nicht geschmolzen, aber insofern thermisch aktiviert, dass es zu Diffusionsreaktionen von Kupfer in das Stahlgefüge und zu Diffusionsreaktionen von mindestens einem Bestandteil des Stahls in die Kupferschicht kommt. Durch einen Temperaturbereich zwischen 800 °C und 950 °C können darüber hinaus Oxidationsreaktionen während der Wärmebehandlung reduziert werden. According to a further advantageous development, the heat treatment is carried out at a temperature of 750 ° C to 1050 ° C, in particular from 800 ° C to 950 ° C. At the indicated temperatures, both the steel used and the copper have not yet melted, but are thermally activated in that diffusion reactions of copper into the steel structure and diffusion reactions of at least one component of the steel into the copper layer occur. In addition, by a temperature range between 800 ° C and 950 ° C, oxidation reactions during the heat treatment can be reduced.
Aus Gründen der Kostenreduktion des Verfahrens ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Wärmebehandlung für 0,5 bis 8,0 Stunden, insbesondere für 2 bis 6 Stunden ausgeführt wird. Die angegebenen Zeitintervalle sind ausreichend, um ein effektives Einlegieren zu forcieren und die Kupferschicht fest mit dem Stahlgrundkörper zu verbinden. For reasons of cost reduction of the method is provided according to a development that the heat treatment for 0.5 to 8.0 hours, especially for 2 to 6 hours is performed. The specified time intervals are sufficient to accelerate an effective alloying and to firmly connect the copper layer to the steel main body.
Eine besonders gute dauerhaft resistente Kupferschutzschicht lässt sich vorteilhafterweise dann erzielen, wenn die Wärmebehandlung unter Sauerstoffausschluss und besonders bevorzugt in Schutzgasatmosphäre, wie beispielsweise in Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff oder deren Gemischen, ausgeführt wird.A particularly good permanently resistant copper protective layer can advantageously be achieved if the heat treatment is carried out with exclusion of oxygen and particularly preferably in a protective gas atmosphere, for example in nitrogen, argon, helium, hydrogen or mixtures thereof.
Für den Beschichtungsvorgang eignen sich alle Verfahren, die zum Abscheiden einer ausreichend dicken Kupferschicht befähigt sind. Besonders bevorzugt wird die Kupferschicht mittels galvanischer Abscheidung aufgebracht. Hierdurch kann eine Kupferschicht mit sehr gleichmäßiger Schichtdicke ohne Fehlstellen ausgebildet werden. Suitable for the coating process are all processes which are capable of depositing a sufficiently thick copper layer. Particularly preferably, the copper layer is applied by means of electrodeposition. As a result, a copper layer with a very uniform layer thickness without defects can be formed.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 20,0 mm auf. Der Begriff „Wandstärke“ kann hierbei die räumliche Ausdehnung des Grundkörpers senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Grundkörpers bezeichnen. Besonders bevorzugt weist der Grundkörper eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 20,0 mm, insbesondere zwischen 0,1 und 10 mm, auf. According to a further embodiment, the base body has a wall thickness between 0.1 mm and 20.0 mm. The term "wall thickness" In this case, the spatial extent of the basic body may be perpendicular to a main extension plane of the basic body. Particularly preferably, the base body has a wall thickness between 0.1 mm and 20.0 mm, in particular between 0.1 and 10 mm.
Weiter vorteilhaft weist die Kupferschicht eine Schichtdicke zwischen 2 µm und 500 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 150 µm und insbesondere zwischen 20 µm und 80 µm auf. Unter dem Begriff „Schichtdicke“ wird hierbei die räumliche Ausdehnung der Kupferschicht senkrecht zu einer Oberfläche des Grundkörpers, auf welcher die Kupferschicht angeordnet ist, verstanden. Further advantageously, the copper layer has a layer thickness between 2 .mu.m and 500 .mu.m, in particular between 10 .mu.m and 150 .mu.m and in particular between 20 .mu.m and 80 .mu.m. In this case, the term "layer thickness" is understood to mean the spatial extent of the copper layer perpendicular to a surface of the base body on which the copper layer is arranged.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Stahlbauteil einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt auf, wobei der Grundkörper des Stahlbauteils im ersten Teilabschnitt von der Kupferschicht bedeckt wird und im zweiten Teilabschnitt frei von der Kupferschicht bleibt. Vorzugsweise wird das Stahlbauteil bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung in Wasserstoffatmosphäre im ersten Teilabschnitt, in welchem der Grundkörper von der Kupferschicht bedeckt ist, einer höheren Bauteilbeanspruchung ausgesetzt als im zweiten Teilabschnitt, in welchem der Grundkörper nicht von der Kupferschicht bedeckt ist. Der Begriff „Bauteilbeanspruchung“ kann hierbei mechanische und/oder thermomechanische Spannungen des Grundkörpers, auf welcher die Kupferschicht angeordnet ist, verstanden werden. Bevorzugt weist die Kupferschicht eine Dicke zwischen 10,0 µm und 150 µm, besonders bevorzugt zwischen 20,0 µm und 80,0 µm auf.According to a further embodiment, the steel component has a first partial section and a second partial section, wherein the basic body of the steel component is covered by the copper layer in the first partial section and remains free of the copper layer in the second partial section. Preferably, the steel component is subjected to a higher component stress when used in a suitable manner in a hydrogen atmosphere in the first section, in which the base body is covered by the copper layer, than in the second section, in which the base body is not covered by the copper layer. The term "component stress" may be understood to mean mechanical and / or thermomechanical stresses of the base body on which the copper layer is arranged. The copper layer preferably has a thickness of between 10.0 μm and 150 μm, more preferably between 20.0 μm and 80.0 μm.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein wasserstoffführendes Stahlbauteil zum Einsatz bei Kraftfahrzeugen beschrieben. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Stahlbauteil um ein mechanisch beanspruchtes Bauteil, das heißt um ein Bauteil, welches bei einer bestimmungsgemäßen Anwendung mechanischen und/oder thermomechanischen Spannungen ausgesetzt ist. Diese Spannungen können beispielsweise durch Temperaturunterschiede, durch Druckunterschiede und/oder durch Vibrationen hervorgerufen werden. Also according to the invention, a hydrogen-carrying steel component for use in motor vehicles is described. The steel component is preferably a mechanically stressed component, that is to say a component which is exposed to mechanical and / or thermomechanical stresses when used as intended. These voltages can be caused for example by temperature differences, by pressure differences and / or by vibrations.
Erfindungsgemäß umfasst das Stahlbauteil einen Grundkörper aus Stahl mit einem Nickelgehalt kleiner als 13,0 Massenprozent und insbesondere kleiner als 12 Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Grundkörpers, und eine Kupferschicht, die auf mindestens einem Teilabschnitt des Grundkörpers angeordnet ist, wobei Kupfer aus der Kupferschicht in den Grundkörper und mindestens ein Stahlbestandteil aus dem Grundkörper in die Kupferschicht einlegiert sind. According to the invention, the steel component comprises a base body made of steel with a nickel content of less than 13.0 percent by mass and in particular less than 12 percent by mass, based on the total weight of the base body, and a copper layer disposed on at least a portion of the base body, wherein copper from the copper layer are alloyed into the base body and at least one steel component from the base body in the copper layer.
Weiterhin kann der Grundkörper aus Stahl einen Kohlenstoffgehalt kleiner als 0,2 Massenprozent aufweisen. Furthermore, the steel body may have a carbon content less than 0.2 mass percent.
Die Kupferschicht kann beispielsweise direkt auf eine Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht sein. Alternativ kann die Kupferschicht auf einer weiteren Schicht, welche zwischen dem Grundkörper und der Kupferschicht angeordnet ist, aufgebracht sein.The copper layer may for example be applied directly to a surface of the base body. Alternatively, the copper layer may be applied to a further layer, which is arranged between the base body and the copper layer.
Wie bereits vorstehend für das erfindungsgemäße Verfahren dargelegt kann der Grundkörper vorteilhaft aus einem austenitischen, einem ferritischen oder aus einem martensitischen Stahl gebildet sein. Weiterhin kann der Grundkörper ein mehrphasiges Gefüge mit austenitischen, ferritischen und/oder martensitischen Gefügebestandteilen aufweisen. Beispielsweise kann der Grundkörper aus einem Duplexstahl mit einem ferritischen und einem austenitischen Gefügebestandteil bestehen.As already stated above for the method according to the invention, the base body may advantageously be formed from an austenitic, a ferritic or a martensitic steel. Furthermore, the base body may have a multi-phase structure with austenitic, ferritic and / or martensitic structural constituents. For example, the base body may consist of a duplex steel with a ferritic and an austenitic structural constituent.
Mit anderen Worten umfasst das erfindungsgemäße Stahlbauteil einen Grundkörper und eine Kupferschicht, die mindestens in solchen Teilabschnitten des Stahlbauteils vorgesehen ist, die der Wasserstoffführung dienen, wobei die Kupferschicht in den Stahl des Grundkörpers integriert ist. Mit anderen Worten ist Kupfer in den Stahl eindiffundiert/einlegiert und ein oder mehrere Bestandteile des Stahls sind in die Kupferschicht eindiffundiert/einlegiert. Eine derartige Struktur kann durch eine Wärmebehandlung, wie sie im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben ist, erzielt werden. Durch die Verankerung der Kupferschicht an dem Grundkörper wird das Stahlbauteil dauerhaft effektiv vor Versprödung durch Wasserstoff geschützt. Die Kupferschicht wirkt als Schutzschicht, die haftfest mit dem Grundkörper verbunden ist, wodurch sowohl eine Rissbildung und auch ein Abrieb oder Abtrag vom Stahl verhindert werden. Durch den reduzierten Gehalt an Nickel ist das Stahlbauteil bei sehr guten mechanischen Eigenschaften, hoher Dichtigkeit gegenüber Wasserstoff und dauerhafter Versprödungsresistenz kostengünstig herstellbar.In other words, the steel component according to the invention comprises a base body and a copper layer, which is provided at least in those sections of the steel component, which serve the hydrogen guide, wherein the copper layer is integrated into the steel of the base body. In other words, copper is diffused / alloyed into the steel and one or more constituents of the steel are diffused / alloyed into the copper layer. Such a structure can be achieved by a heat treatment as described with respect to the method according to the invention. By anchoring the copper layer to the base body, the steel component is permanently effectively protected against embrittlement by hydrogen. The copper layer acts as a protective layer which is adhesively bonded to the base body, which prevents both cracking and abrasion or erosion of the steel. Due to the reduced content of nickel, the steel component can be produced inexpensively with very good mechanical properties, high impermeability to hydrogen and permanent embrittlement resistance.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Stahlbauteils ist das wasserstoffführende Stahlbauteil Teil eines Kraftfahrzeuges. Das wasserstoffführende Stahlbauteil kann z.B. Teil eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder Teil eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere mit einem Wasserstoff-Hubkolbenmotor, sein. Beispielsweise kann es sich bei dem wasserstoffführenden Stahlbauteil um einen Wasserstofftank oder um einen Teil eines Wasserstofftanks handeln. Weiterhin kann es sich bei dem wasserstoffführenden Stahlbauteil z.B. um einen Teil eines Leitungssystems zwischen einem Wasserstofftank und einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder zwischen einem Wasserstofftank und einem Verbrennungsmotor handeln. Darüber hinaus kann das wasserstoffführende Stahlbauteil Teil eines Sensoriksystems und/oder eines Regelsystems sein. Vorzugsweise ist das wasserstoffführende Stahlbauteil bzw. die Kupferschicht des Stahlbauteils im Anwendungsfall in Kontakt mit Wasserstoff. According to an advantageous embodiment of the steel component, the hydrogen-carrying steel component is part of a motor vehicle. The hydrogen-carrying steel component may eg be part of a fuel cell vehicle or part of a motor vehicle with an internal combustion engine, in particular with a hydrogen reciprocating engine. For example, the hydrogen-carrying steel component may be a hydrogen tank or a part of a hydrogen tank. Furthermore, the hydrogen-carrying steel component may, for example, be a part of a line system between a hydrogen tank and a fuel cell of a fuel cell vehicle or between a fuel cell vehicle Hydrogen tank and an internal combustion engine act. In addition, the hydrogen-carrying steel component may be part of a sensor system and / or a control system. In the application, the hydrogen-carrying steel component or the copper layer of the steel component is preferably in contact with hydrogen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das wasserstoffführende Stahlbauteil eine weitere Materialschicht auf, die zwischen dem Grundkörper und der Kupferschicht angeordnet ist. Vorzugsweise ist die weitere Materialschicht direkt auf dem Grundkörper aufgebracht. Die Kupferschicht kann beispielsweise direkt auf der weiteren Materialschicht aufgebracht sein. Bei der weiteren Materialschicht kann es sich beispielsweise um eine haftvermittelnde Schicht oder um eine Funktionsschicht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundkörpers und dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Kupferschicht liegt, handeln. According to a further embodiment, the hydrogen-carrying steel component has a further material layer, which is arranged between the base body and the copper layer. Preferably, the further material layer is applied directly to the base body. The copper layer can for example be applied directly to the further material layer. The further material layer can be, for example, an adhesion-promoting layer or a functional layer whose coefficient of thermal expansion lies between the thermal expansion coefficient of the main body and the thermal expansion coefficient of the copper layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das wasserstoffführende Stahlbauteil eine weitere Materialschicht auf, die auf der dem Grundkörper abgewandten Oberfläche der Kupferschicht auf der Kupferschicht aufgebracht ist. Bei der weiteren Materialschicht kann es sich z.B. um einen Lack handeln. According to a further embodiment, the hydrogen-carrying steel component has a further material layer, which is applied on the surface of the copper layer facing away from the base body on the copper layer. The further material layer may be e.g. to trade a paint.
Weiterhin erfindungsgemäß wird ein Kraftfahrzeug angegeben, das mindestens ein wie vorstehend beschriebenes wasserstoffführendes Stahlbauteil aufweist. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich z.B. um ein Brennstoffzellenfahrzeug, das heißt um ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb, oder um ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere mit einem Wasserstoff-Hubkolbenmotor, handeln. Das Brennstoffzellenfahrzeug weist z.B. einen Wasserstofftank, eine Brennstoffzelle sowie ein Leitungssystem, welches den Wasserstofftank mit der Brennstoffzelle verbindet, auf. Bei dem wasserstoffführenden Stahlbauteil kann es sich beispielsweise um den Wasserstofftank, um einen Teil des Wasserstofftanks, um das Leitungssystem zwischen dem Wasserstofftank und der Brennstoffzelle und/oder um einen Teil des Leitungssystems handeln. Weiterhin kann das wasserstoffführende Stahlbauteil Teil eines Sensoriksystems und/oder eines Regelsystems sein. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich durch eine hohe Wasserstoffresistenz und geringe Versprödungsneigung durch Wasserstoff aus.Furthermore, according to the invention, a motor vehicle is specified which has at least one hydrogen-carrying steel component as described above. The motor vehicle may be e.g. to a fuel cell vehicle, that is to say a motor vehicle with a fuel cell drive, or a motor vehicle with an internal combustion engine, in particular with a hydrogen reciprocating engine act. The fuel cell vehicle has e.g. a hydrogen tank, a fuel cell, and a piping system connecting the hydrogen tank to the fuel cell. The hydrogen-carrying steel component may, for example, be the hydrogen tank, a part of the hydrogen tank, the piping system between the hydrogen tank and the fuel cell and / or a part of the piping system. Furthermore, the hydrogen-carrying steel component may be part of a sensor system and / or a control system. The motor vehicle is characterized by a high hydrogen resistance and low embrittlement tendency by hydrogen.
Die vorstehend für das erfindungsgemäße Verfahren dargelegten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildung finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Stahlbauteil und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. The advantages, advantageous effects and further development set out above for the method according to the invention are also applied to the steel component according to the invention and to the motor vehicle according to the invention.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen wasserstoffführenden Stahlbauteils ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den
Es zeigen:Show it:
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. In the exemplary embodiments and figures, identical or identically acting components may each be provided with the same reference numerals. The illustrated elements and their proportions with each other are basically not to be considered as true to scale.
Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. Rather, individual elements can be shown exaggeratedly thick or large in size for better representability and / or better understanding.
Die Kupferschicht
Kupfer aus der Kupferschicht ist in den Stahl, also in das Stahlgefüge des Grundkörpers
Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann zwischen dem Grundkörper
Die weitere Schicht kann beispielsweise eine haftvermittelnde Schicht oder eine Funktionsschicht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient an die Kupferschicht
Weiterhin kann alternativ zu dem in
In
Im ersten Teilabschnitt
Danach wird im Verfahrensschritt B eine Kupferschicht
Die Kupferschicht
In einem optionalen Verfahrensschritt A2 wird eine Zwischenschicht direkt auf den Grundkörper
Im dargestellten Verfahrensschritt C wird eine Wärmebehandlung ausgeführt. Die Wärmebehandlung dient der Verankerung der Kupferschicht
Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen. Alternatively or additionally, the embodiments shown in the figures may have further features according to the embodiments of the general description.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Stahlbauteil steel component
- 22
- Grundkörper body
- 33
- Metallschicht metal layer
- 44
- erster Teilabschnitt first section
- 55
- zweiter Teilabschnitt second subsection
- A, A2, B, CA, A2, B, C
- Verfahrensschritte steps
Claims (12)
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