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Die Erfindung betrifft ein Karosserieteil für eine selbsttragende Karosserie eines Personenkraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Karosserieteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung für ein solches Karosserieteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
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Derartige Karosserieteile für selbsttragende Karosserien von Personenkraftwagen und derartige Verfahren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Ein solches Karosserieteil weist einen beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Grundkörper auf, welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung versehen und somit beschichtet ist. Hierbei kann es sich um eine Korrosionsschutzbeschichtung handeln, welche beispielsweise auf Zink basiert. Somit wird im Rahmen des jeweiligen Verfahrens die Beschichtung hergestellt, und der Grundkörper wird zumindest in dem Teilbereich mit der Beschichtung versehen.
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Außerdem offenbart die
WO 2009/049836 A1 eine Korrosionsschutzbeschichtung für Stahlbleche, die zum Zwecke der Härtung einer Erhitzung auf oder über die Austenitisierungstemperatur und einer Abschreckhärtung unterworfen werden, wobei die Beschichtung eine im Wesentlichen Zink aufweisende, im Schmelztauchverfahren auf das Stahlblech aufgebrachte Beschichtung ist. Dabei ist es vorgesehen, dass die Beschichtung neben Zink und gegebenenfalls vorhandenen unvermeidbaren Verunreinigungen 0,1 bis 5 Prozent Aluminium und 0,2 bis 2 Prozent Magnesium enthält.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Karosserieteil und Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders vorteilhafte Eigenschaften des Karosserieteils realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Karosserieteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Karosserieteil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders vorteilhafte Eigenschaften des Karosserieteils realisiert werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff gebildet ist, welcher mindestens 70 Gewichtsprozent (Gew.-%) Metallmatrix, insbesondere mindestens 90 Gew.-% Metallmatrix, und als Rest Partikel aufweist, welche als Verstärkung und beziehungsweise Verstärkungspartikel fungieren. Es wurde gefunden, dass durch die Ausgestaltung der Beschichtung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffes ein besonders guter Korrosionsschutz, eine gute Lackhaftung und eine gute Phosphatierbarkeit realisiert werden können. Ferner können eine sehr gute Benetzbarkeit, eine gute Kalt- sowie Warmumformbarkeit und gegenüber herkömmlichen Karosserieteilen eine verbesserte Herstellung von pressgehärteten Bauteilen realisiert werden, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Karosserieteil als pressgehärtetes Bauteil beziehungsweise kalt- oder warmumgeformt ist.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass für die Kaltumformung von Karosserieteilen für selbsttragende Karosserien üblicherweise folgende Stahlgrundwerkstoffe verwendet werden:
- - hochfeste Stähle ohne Zwischengitteratome (HSIF - High Strength Interstitial Free)
- - hochfeste niedrig-/mikrolegierte Stähle (HSLA - High Strength Low Alloy;)
- - Dualphase Stähle (DP - Dual Phase)
- - Komplexphase Stähle (CP - Complex Phase)
- - verformungsinduzierte Verfestigungs-Stähle (TRIP - Transformation Induced Plasticity)
- - Bake-Hardening-Stähle
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Feuerverzinkte oder elektrolytisch verzinkte Beschichtungen haben sich für Stahlteile in der Automobilindustrie etabliert. Diese Überzüge weisen einen hoch kathodischen Korrosionsschutz aufgrund ihrer niedrigen Korrosionspotentiale und eine gute Eignung für darauffolgende Lackierprozesse auf. Reine Zinküberzüge sind aber für das Schweißen nicht geeignet aufgrund ihrer Gesundheits- und Umweltrisiken im Gaszustand. Im Gegenteil sind Zink-Eisen-Beschichtungen, welche als Galvannealed Products bekannt sind, für die Fügetechnik gut geeignet. Zn-Fe-Beschichtungen weisen allerdings eine geringere Korrosionsbeständigkeit als reine Zink-Überzüge auf, da das Korrosionspotential im Vergleich zu reinem Zink erhöht ist. Ferner wurden weitere Produkte wie Zink-Magnesium-Beschichtungen und Zink-Aluminium-Magnesium-Beschichtungen entwickelt. Solche Beschichtungen weisen bessere Korrosionsschutzeigenschaften als reine Zinküberzüge auf.
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Für die Warmumformung von Karosserieteilen sind üblicherweise folgende Stahlgrundwerkstoffe in Verwendung:
- - ultrahochfeste Stähle, insbesondere 6Mn3, 6Mn6, 22MnB5, 27MnCrB5, 37MnB4 Stahlgüte
- - martensitische Stähle (MS - Martensitic)
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Insbesondere sind 22MnB5-Stähle mit einer feueraluminierten oder feuerverzinkten Beschichtung verbreitet in der Automobilindustrie, um pressgehärtete Komponenten herzustellen. Die feueraluminierte Beschichtung ist nur für das direkte Presshärten geeignet, wobei die Beschichtung eine geringe Kaltumformbarkeit anbietet. Keine Reinigung von Bauteilen ist erforderlich nach dem Presshärten. Diese Beschichtung bietet keinen kathodischen Korrosionsschutz. Im Gegenteil, die feuerverzinkte Beschichtung bietet einen hohen kathodischen Korrosionsschutz. Allerdings ist sie für das direkte Presshärten nicht geeignet, da eine Rissbildung im Stahlsubtrat wegen Flüssigmetallversprödung (Liquid Metal Embrittlement - LME) entsteht. Aus diesem Grund sollten feuerverzinkte presshärtbare Stähle durch indirektes Presshärten hergestellt werden. Außerdem sollte eine mechanische Reinigung durchgeführt werden, um eine gute Schweiß- und Lackierbarkeit der Bauteile zu ermöglichen. Die Verwendung von indirektem Presshärten und der Reinigung bei feuerverzinkten Bauteilen führt zu höheren Kosten als bei direkt pressgehärteten feueraluminierten Stählen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die LME beim direkten Presshärten von Zink-basierten Beschichtungen zu vermeiden. Eine Variante ist die Verwendung einer Zinklegierung mit einer hohen Schmelztemperatur im Vergleich zu reinem Zink (419,6 Grad Celsius). Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können bei dem erfindungsgemäßen Karosseriebauteil auf einfache und kostengünstige Weise vermieden werden.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders vorteilhafte Eigenschaften des Karosserieteils realisiert werden können, ist es erfindungsgemäße vorgesehen, dass als die Beschichtung eine Beschichtung aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff verwendet wird, welcher mindestens 70 Gew.-% Metallmatrix und als Rest Partikel aufweist.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders vorteilhafte Eigenschaften des Karosserieteils realisiert werden können, ist es erfindungsgemäße vorgesehen, dass die Beschichtung aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff gebildet wird, welcher mindestens 70 Gew.-% Metallmatrix und als Rest Partikel aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des jeweiligen erfindungsgemäßen Karosserieteils sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der Fig. ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Karosserieteils für eine selbsttragende Karosserie eines Personenkraftwagens.
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Die einzige Fig. zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Karosserieteil für eine selbsttragende Karosserie eines Personenkraftwagens. Das Karosserieteil 10 wird auch als Karosseriebauteil bezeichnet, wobei die auch als Rohbau bezeichnete, selbsttragende Karosserie in ihrem vollständig hergestellten Zustand zumindest das Karosserieteil 10 aufweist.
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Das Karosserieteil 10 umfasst wenigstens einen Grundkörper 12, welcher beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl, gebildet ist. Beispielsweise ist der Grundkörper 12 als Stahlbauteil, insbesondere als Stahlblech, ausgebildet. Das Karosserieteil 10 weist ferner wenigstens eine Beschichtung 14 auf, mit welcher der Grundkörper 12 zumindest in einem Teilbereich 16 versehen ist. Mit anderen Worten weist der Grundkörper 12 wenigstens eine Oberfläche 18 auf, auf die zumindest in dem Teilbereich 16 die Beschichtung 14 aufgebracht ist. Somit ist der Grundkörper 12 zumindest in dem Teilbereich 16, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, mit der Beschichtung 14 versehen und somit beschichtet.
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Um nun auf kostengünstige Weise besonders vorteilhafte Eigenschaften des Karosserieteils 10 realisieren zu können, ist die Beschichtung 14 aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff gebildet, welcher mindestens 70 Gewichtsprozent (Gew.-%), insbesondere mindestens 90 Gew.-%, Metallmatrix und als Rest Partikel als Verstärkung aufweist.
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Die Metallmatrix der Beschichtung 14 beziehungsweise des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes kann beispielsweise aus reinen Metallen wie Zink, Mangan, Kobalt, Eisen, Magnesium, Aluminium oder Nickel sein oder aus einer Legierung davon. Mit anderen Worten weist die Metallmatrix wenigstens eines der folgenden Metalle auf: Zink (Zn), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Nickel (Ni). Dabei ist es denkbar, dass die Metallmatrix als Reinmetall aus genau einem der Metalle gebildet ist. Insbesondere ist die Metallmatrix beispielsweise als Zink-basierte Matrix ausgebildet. Besonders gute Eigenschaften sind bei Zink-basierten Matrizen zu erwarten, insbesondere dann, wenn die Metallmatrix als reine Zinkmatrix oder als Zink-Mangan-Matrix ausgebildet ist. Die Zink-Mangan-Matrix weist beispielsweise bis zu 40 Gew.-% Mangan auf. Insbesondere weist die Zink-Mangan-Matrix Mangan mit einem Anteil von 10 Gew.-% bis 25 Gew.-% auf. Bei der Verwendung von Zink-basierten Matrizen können sehr gute Korrosionsschutz- und Umformeigenschaften wie eine gute Eignung mit Lackier- und Fertigungsprozessen in der Automobilindustrie erzielt werden.
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Die Partikel sind beispielsweise aus wenigstens einem der folgenden Werkstoffe beziehungsweise Materialien oder aus einer Mischung, welche wenigstens zwei oder mehr der folgenden Werkstoffe beziehungsweise Materialien aufweist, gebildet:
- - Oxide (Aluminiumoxide, Titanoxide, Zirkoniumoxide, Siliciumoxide, Ceroxide, Zinnoxide, Chromoxide, Eisenoxide, Magnesiumoxide, Manganoxide, Kobaltoxide, Nickeloxide, Zinkoxide, Yttriumoxide, Molybdänoxide, usw.)
- - Hydroxide (Magnesiumhydroxide, Nickelhydroxide, Kupferhydroxide, Aluminiumhydroxide, Zinkhydroxide, Eisenhydroxide, usw.)
- - Carbide (Siliciumcarbide, Wolframcarbide, Borcarbide, Titancarbide, Zirkoniumcarbide, Hafniumcarbide, Vanadiumcarbide, Niobcarbide, Tantalcarbide, Chromcarbide, Molybdäncarbide, usw.)
- - Nitride (Aluminiumnitride, Bornitride, Siliciumnitride, Eisennitride, usw.)
- - Titanate (Aluminiumtitanate, Zinktitanate, Strontiumtitanate, usw.)
- - Metalle (Aluminium, Titan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Molybdänum, Palladium, Silber, Platin, usw.)
- - Polytetrafluorethylen (PTFE), Diamant, Kohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Grapheneschichten
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Die Partikel können in einem Durchmesser von mehreren Nanometern (< 10 Nanometer) bis zu einem Mikrometer haben. Bessere Eigenschaften können mit Nanopartikeln erzielt werden, insbesondere mit Nanopartikeln, die einen Durchmesser aufweisen, welcher in einem Bereich von einschließlich 10 Nanometer bis einschließlich 200 Nanometer, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 50 Nanometer bis 100 Nanometer, liegt.
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Es wurde gefunden, dass Zink-basierte Matrizen mit Partikeln, insbesondere Nanopartikeln, bessere Eigenschaften als reine Zinkauflagen aufweisen. Die Verwendung von metallischen Überzügen mit bis zu 20 Gew.-% Partikeln kann die Korrosionsbeständigkeit durch unterschiedliche Mechanismen verbessern:
- - Für manche Partikel kann die Korrosionsrate vermindert werden, da das Korrosionspotential im Vergleich zu reinen Metallüberzügen erhöht wird.
- - Außerdem kann der kathodische Korrosionsschutz verbessert werden, wenn Partikel mit einem geringeren elektrochemischen Potential als die Metallmatrix verwendet werden.
- - Zink-basierte Matrizen mit Partikeln weisen eine homogene Korrosion auf, da die Partikel zur Bildung von Mikrozellen in der Metallmatrix führen können. In diesen Mikrozellen erweist sich die Metallmatrix als Anode und die Partikel als Kathode. Dementsprechend wird die anodische Polarisation erleichtert, und eine homogene Korrosion kann entstehen.
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Bei der Beimischung von Partikeln in die Metallmatrix kann die Homogenität der Beschichtung 14 verbessert werden, da die Partikel aufgrund ihrer Größe die Defekte reduzieren können, insbesondere Löcher füllen und Körner verfeinern. Aus diesen Gründen bieten solche Beschichtungen eine verbesserte Dichte und verhindern oder zumindest reduzieren lokalisierte Korrosionen, die zum Ausfall der Funktionalität der Bauteile führen kann. Dementsprechend können bei der Verwendung von Beschichtungen mit Zink-basierten Matrizen und Partikeln bessere Umformeigenschaften und eine höhere Korrosionsbeständigkeit als aktuelle kommerzielle Beschichtungen erreicht werden.
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Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff umfasst somit die Metallmatrix, in die beispielsweise die Partikel eingebettet sind. Dabei fungieren die Partikel wie Verstärkungsfasern eines faserverstärkten Kunststoffs als Verstärkung, sodass die Metallmatrix durch die Partikel verstärkt ist. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist somit ein partikelverstärkter Metallmatrix-Verbundwerkstoff, wodurch sich besonders vorteilhafte Eigenschaften der Beschichtung 14 und somit des Karosserieteils 10 insgesamt realisieren lassen.
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Die Beschichtung 14 wird beispielsweise derart auf den Grundkörper 12 beziehungsweise zumindest auf den Teilbereich 16 aufgebracht, dass ein elektrolytisches Verfahren durchgeführt wird. Mittels eines solchen elektrolytischen Verfahrens wird der Metallmatrix-Verbundwerkstoff auf den Grundkörper 12 abgeschieden, insbesondere aus wässrigen Elektrolyten wie Sulfat- und/oder Chlorid-Bädern. Darüber hinaus wurde gefunden, dass mechanisches Rühren des Elektrolyts während der Abscheidung zu einem erhöhten Anteil von Partikeln in der Metallmatrix führen kann. Es ist darüber hinaus technisch möglich, die Beschichtung 14 beziehungsweise den Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit der Metallmatrix und den Partikeln mittels anderer Abscheideprozesse wie Schmelztauchverfahren, PV-Verfahren, CVD-Verfahren oder JVD-Verfahren herzustellen und somit auf den Grundkörper 12 abzuscheiden.
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Durch die Beschichtung 14 können bessere Korrosionsschutzeigenschaften als bei kommerziellen feuerverzinkten Beschichtungen realisiert werden. Ferner kann eine lokalisierte Korrosion zugunsten von homogener Korrosion verhindert werden. Außerdem kann eine verbesserte Temperaturbeständigkeit als bei reinen Metallüberzügen realisiert werden. Ferner lässt sich eine Reduzierung oder Vermeidung der Oxidation von beschichteten Produkten bei hohen Temperaturen und der Rissbildung aufgrund von LME beim direkten Presshärten realisieren. Außerdem kann eine besonders vorteilhafte Verträglichkeit zu anderen Karosserieteilen realisiert werden, da insbesondere Kontaktkorrosion vermieden werden kann. Darüber hinaus kann eine vorteilhafte Verträglichkeit mit Lackmaterialien gewährleistet werden. Außerdem können optische Ansprüche erfüllt werden, da sichtbare Eisenkorrosion auf Flächen sowie an Kanten vermieden werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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