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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Stahlbauteils, ein entsprechendes beschichtetes Stahlbauteil und dessen Verwendung.
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Technischer Hintergrund
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Für das technische Gebiet der Warmumformung zur Herstellung warmumgeformter Bauteile werden Schutzschichten gesucht, die Eigenschaften des beschichteten Bauteils wie beispielsweise passiver Korrosionsschutz, verbesserte tribologische Eigenschaften, gesteigerte Biegewinkel, geringe Anfälligkeit für wasserstoffinduzierte Rissbildung, und/Lackier- und Klebeignung gewährleisten. Bei der konventionellen Herstellung entsprechender Bauteile, insbesondere von Bauteilen, die eine gegen Korrosion schützende metallische Beschichtung aufweisen, durch Aufheizen der Stahlbänder auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur, Abkühlen und Verformen in einem gekühlten Werkzeug, können Probleme auftreten wie beispielsweise eine Flüssigmetallversprödung bei Zinkverbindungen oder die Verminderung der Umformeigenschaften, z.B. bei aluminiumbasierten Beschichtungen.
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In der Schrift
WO 2010/0889644 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von mit einer Zink-Schutzschicht beschichten Formteilen beschrieben. Dazu wird ein entsprechend beschichtetes Stahlflachprodukt erwärmt, mit einem bestimmten Kühlprogramm abgekühlt und umgeformt.
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Auch die Schriften
DE 10 2010 056 264 A1 und
DE 10 2010 056 265 A1 offenbaren entsprechende Verfahren, mit denen zinkbeschichtete Stahlbänder nach Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb AC3 auf niedrigere Temperaturen abgekühlt bzw. abgeschreckt und anschließend umgeformt werden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weisen den Nachteil auf, dass aufgrund des Glühprozesses vor dem Umformen die Korrosionsschutzschicht mit Eisen oder anderen Legierungselementen aus dem Stahl angereichert wird. Der erhöhte Eisenanteil in Oberflächennähe führt bei geringsten korrosiven Belastungen umgehend zu Rotrostbildung und dadurch zu erkennbaren roten Flecken. Diese Korrosionsform beeinträchtigt dabei nicht die mechanischen Eigenschaften des Bauteils, sondern führen zu einem nicht zufriedenstellenden optischen Erscheinungsbild. Daher wird diese Korrosionsform im Weiteren als kosmetische Korrosion beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik ist es daher ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Stahlbauteilen bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen, und vor allem ein verbessertes Eigenschaftsprofil bezüglich kosmetischem Korrosionsschutz, insbesondere bezüglich Rotrostbildung, aufweisen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Stahlbauteils, umfassend wenigstens die Schritte
- (A) Bereitstellen eines Stahlflachproduktes oder einer Platine,
- (B) gegebenenfalls Abtrennen einer Platine aus dem Stahlflachprodukt,
- (C) Erwärmen der Platine auf eine Temperatur von AC3 + (50 bis 90 °C),
- (D) Abkühlen der Platine auf eine Temperatur von 300 bis 700 °C,
- (E) Umformen der Platine aus Schritt (D), um das Stahlbauteil zu erhalten,
wobei die Beschichtung V1 aufgebracht wird, indem
in Schritt (D) nach dem Abkühlen der Platine auf eine Temperatur von 300 bis 700 °C die Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 auf die Platine aufgebracht wird,
oder
in Schritt (D) die Platine durch das Aufbringen der Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 auf eine Temperatur von 300 bis 500 °C abgekühlt wird,
oder
nach Schritt (E) die Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 auf das Stahlbauteil aufgebracht wird.
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Die Aufgaben werden des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch ein entsprechendes beschichtetes Stahlbauteil und durch dessen Verwendung im Automobilsektor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die einzelnen Verfahrensschritte werden im Folgenden detailliert beschrieben.
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Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Bereitstellen eines Stahlflachproduktes oder einer Platine. Erfindungsgemäß kann im Allgemeinen jedes dem Fachmann bekannte Stahlflachprodukt eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stahlflachprodukt ein Stahlband, insbesondere ein Warmband, ein Kaltband. Erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzte Warmbänder sind dem Fachmann an sich bekannt. Des Weiteren sind erfindungsgemäß eingesetzte Kaltbänder dem Fachmann bekannt und beispielsweise beschrieben in
EP 2993248 A1 . Erfindungsgemäß kann in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens auch direkt eine entsprechende Platine eingesetzt werden. Gemäß dieser Ausführungsform entfällt Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Herstellen einer Platine, bevorzugt aus einem Warmband oder einem Kaltband, ist dem Fachmann an sich bekannt und beispielsweise beschrieben in
DE 10 2014 111501 A1 . Erfindungsgemäß können in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens als Stahlflachprodukte auch so genannte Tailored Blanks eingesetzt werden. Die Details dazu und Verfahren zu ihrer Herstellung sind dem Fachmann an sich bekannt und beispielsweise beschrieben in
DE 10246164 B4 .
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Erfindungsgemäß eingesetzte Stahlflachprodukte weisen bevorzugt eine Dicke von 0,5 bis 6 mm auf, besonders bevorzugt 0,8 mm bis 4 mm.
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Wird erfindungsgemäß als Stahlflachprodukt ein Warmband eingesetzt, so weist dieses bevorzugt eine Dicke von 2 bis 6 mm auf, besonders bevorzugt 2 bis 4 mm.
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Wird erfindungsgemäß als Stahlflachprodukt ein Kaltband eingesetzt, so weist dieses bevorzugt eine Dicke von 0,5 bis 3,5 mm, besonders bevorzugt eine Blechdicke von 0,8 bis 2,5 mm, auf.
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Erfindungsgemäß eingesetzte Stahlflachprodukte weisen bevorzugte Breiten von 100 bis 2500 mm auf, besonders bevorzugt 500 bis 2200 mm, am meisten bevorzugt 600 bis 2000 mm.
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Erfindungsgemäß eingesetzte Stahlflachprodukte weisen bevorzugte Längen von 100 bis 3000 m auf, besonders bevorzugt 500 bis 2500 m..
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Werden erfindungsgemäß als Stahlflachprodukt Platinen eingesetzt, so weisen dieses bevorzugt entsprechende Dicken auf, je nachdem ob sie aus einem Warmband oder einem Kaltband erhalten wurden.
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Typischerweise kann es sich bei dem für das Stahlsubstrat des Stahlflachprodukts verwendeten Stahlwerkstoff um einen vollberuhigten Stahl folgender Zusammensetzung handeln: 0,10 bis 0,4 Gew.-% C, 1,0 bis 2,1 Gew.-% Mn, 0,35 bis 0,4 Gew.-% Si, bis zu 0,03 Gew.-% P, bis zu 0,025 Gew.-% S, bis zu 0,040 Gew.-% Al, bis zu 0,15 Gew.-% Ti, bis zu 0,1 Gew.-% Nb, bis zu 0,005 Gew.-% B, bis zu 0,5 Gew.-% Cr, bis zu 0,5 Gew.-% Mo, wobei die Summe der Gehalte an Cr und Mo höchstens 0,5 Gew.-% beträgt, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Wenn vorliegend Angaben zu Legierungsgehalten und Zusammensetzungen gemacht werden, beziehen sich diese auf das Gewicht beziehungsweise die Masse, sofern nichts anderes ausdrücklich angegeben ist.
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Bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Stahlflachprodukt oder eine Platine eingesetzt, welche(s) bereits eine metallische Beschichtung MB auf Basis von Zink oder Aluminium aufweist. Dabei kann das erfindungsgemäß eingesetzte Stahlflachprodukt nach dem Fachmann bekannten Verfahren mit der metallischen Beschichtung MB versehen werden. Bevorzugt wir die metallische Beschichtung MB durch Feueraluminierung, Feuerverzinkung, elektrolytische Verfahren, Dampfspritze oder Lackierung auf das Stahlflachprodukt aufgebracht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt auf dem erfindungsgemäß eingesetzten Stahlflachprodukt eine Beschichtung MB auf Basis von Zink vor. Diese kann neben Zink bis zu 10 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 6 Gew.-%, Aluminium und bis zu 10 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 5 Gew.-%, Magnesium, Rest unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Unvermeidbare Verunreinigungen sind dabei beispielsweise Eisen, Mangan, Silizium, Chrom etc.
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Der auf dem Stahlflachprodukt bevorzugt aufgebrachte aluminiumbasierte Korrosionsschutzüberzug enthält typischerweise 3 bis 15 Gew.-% Silizium, bevorzugt 7 bis 12 Gew.-% Si, besonders bevorzugt 9 bis 10 Gew.-% Si, sowie bis zu 3,5 Gew.-% Eisen (Fe), bevorzugt 1 bis 3,5 Gew.-% Fe, besonders bevorzugt 2 bis 3,5 Gew.-% Fe, und Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen. Die Dicke des auf dem Stahlflachprodukt aufgebrachten Korrosionsschutzüberzugs MB beträgt typischerweise 10 bis 40 µm je Seite, das Auflagengewicht beträgt typischerweise 30 bis 100 g/m2 je Seite, bevorzugt 40 bis 80 g/m2 je Seite.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stahlflachprodukt aus Schritt (A) direkt in Schritt (B) überführt. Diese bevorzugte Ausführungsform erfolgt dann, wenn aus dem Stahlflachprodukt eine Platine abgetrennt werden muss. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stahlflachprodukt aus Schritt (A) direkt in Schritt (C) überführt. Diese bevorzugte Ausführungsform erfolgt dann, wenn als Stahlflachprodukt eine Platine eingesetzt wird, so dass Schritt (B) nicht erfolgen muss.
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Der optionale Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Abtrennen einer Platine aus dem Stahlflachprodukt. Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durchgeführt, wenn in Schritt (A) keine Platinen, sondern Stahlbänder oder Stahlbleche bereitgestellt werden. Verfahren zum Abtrennen von Platinen aus Stahlbändern oder Stahlblechen sind dem Fachmann an sich bekannt, beispielsweise Stanzen.
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Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Erwärmen der Platine auf eine Temperatur von AC3 + (50 bis 90 °C). Bevorzugt erfolgt Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Temperatur von AC3 + (60 bis 80 °C). Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Prinzip in allen dem Fachmann bekannten Vorrichtungen, d.h. Öfen, erfolge, beispielsweise in Durchlauföfen, insbesondere in einem Rollenherdofen. Geeignet sind aber auch Öfen, in denen die Platinen nicht bewegt werden, sondern ruhen. Dem Fachmann ist bekannt, dass bei manchen Öfen die Temperaturhaltezeiten, und nicht die Verweilzeiten beachtet werden müssen. Dabei kann die Platine durch den Ofen bewegt werden oder unbewegt im Ofen vorliegen. Das Erwärmen in Schritt (C) erfolgt im Allgemeinen so lange, bis die zu erwärmende Platine vollständig eine Temperatur von AC3 + (50 bis 90 °C), bevorzugt AC3 + (60 bis 80 °C) angenommen hat. Diese Temperaturen sind abhängig von der Legierungs-zusammensetzung des Stahls, bevorzugt erfolgt Schritt (C) in einem Temperaturbereich von 850 bis 950 °C, bevorzugt 880 bis 930 °C, jeweils bevorzugt in einem Rollenherdofen. Die Ofenverweildauer liegt dabei bevorzugt bei 1 bis 15 Minuten, besonders bevorzugt 2 bis 12 Minuten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erwärmte Platine aus Schritt (C) direkt in Schritt (D) überführt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf eine Platine oder ein Stahlbauteil eine Beschichtung V1 aufgebracht, um, gegebenenfalls nach Umformung der beschichteten Platine, ein beschichtetes Stahlbauteil zu erhalten.
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Erfindungsgemäß kann die Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 in jeder dem Fachmann bekannten Form auf die Platine aufgebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 als, bevorzugt wässrige, Lösung, Aerosol oder als Dispersion aufgebracht.
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Die erfindungsgemäße Beschichtung V1 enthält Verbindungen und/oder Substanzen, die bestimmte Eigenschaften des Stahlbauteils wie beispielsweise passiver Korrosionsschutz, verbesserte tribologische Eigenschaften, gesteigerte Biegewinkel, geringe Anfälligkeit für wasserstoffinduzierte Rissbildung, und/oder Lackier- und Klebeignung verbessern.
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Erfindungsgemäß werden bevorzugt Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 oder die Beschichtung V1 an sich, bevorzugt jeweils als wässrige Lösung, Aerosol oder als Dispersion aufgebracht. In einem Aerosol liegen sehr fein verteilte Flüssigkeitsteilchen in einem Gas vor. Erfindungsgemäß sind das bevorzugt Flüssigkeitsteilchen aus einer wässrigen Lösung enthaltend die im Folgenden genannten Substanzen in Luft.
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Als Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 können erfindungsgemäß Verbindungen und Substanzen verwendet werden, die durch Einwirkung der thermischen Energie des erwärmten Bauteils in die entsprechende Beschichtung V1 überführt werden, wobei dies eine chemische Reaktion, beispielsweise eine Polykondensation unter Abspaltung von Wasser oder Alkoholmolekülen, sein kann. Des Weiteren ist es möglich, dass durch das Verdunsten des Lösungs- bzw. Dispersionsmittels Wasser die zuvor gelösten oder dispergierten Substanzen als Beschichtung V1 auf der Oberfläche verbleiben, ohne dass eine chemische Reaktion stattfindet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Ausbildung der Beschichtung V1 eine wässrige Lösung oder ein Aerosol enthaltend Sulfate und/oder Phosphate von Alkali- oder Erdalkalimetallen, beispielsweise Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ammonium, Kupfer und Aluminium, insbesondere Kaliumsulfat, eingesetzt. Beim Einsatz dieser Verbindungen verdampft beim Aufbringen des Aerosols bzw. der wässrigen Lösung das vorhandene Wasser und die enthaltenen Verbindungen scheiden sich auf der Oberfläche des Bauteils ab, ohne das eine chemische Reaktion stattfindet.
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Erfindungsgemäß eingesetzte wässrige Lösungen weisen eine Konzentration der darin gelösten Substanzen von beispielsweise 10 bis 100 g/l, bevorzugt 20 bis 70 g/l, besonders bevorzugt 30 bis 60 g/l, auf. Wird erfindungsgemäß ein Aerosol eingesetzt, so basiert dieses Aerosol auf einer entsprechend konzentrierten wässrigen Lösung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Aufbringen der Beschichtung V1 eine Sol-Gel-Dispersion enthaltend Alkoxide von Silizium, Aluminium, Zink, Mangan und/oder Magnesium eingesetzt. Eine Dispersion ist erfindungsgemäß eine Mischung von festen oder flüssigen Teilchen in einem wässrigen Medium, insbesondere in Wasser. Erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzte Alkoxide sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methoxylaten, Ethoxylaten, Propoxylaten, Wird erfindungsgemäß eine Sol-Gel-Dispersion der Alkoxide zum Aufbringen der Beschichtung V1 eingesetzt, so verdampft zum einen durch die thermische Energie des erwärmten Bauteils das in der Dispersion vorhandene Wasser. Des Weiteren findet eine Polykondensation unter Abspaltung der entsprechenden Alkoholmoleküle und Wasser statt, wobei die entsprechenden Oxide, beispielsweise Silica, Aluminiumoxid etc. als bevorzugt dreidimensionale Struktur gebildet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wir zum Aufbringen der Beschichtung V1 eine, bevorzugt wässrige, Dispersion von Nanopartikeln, bevorzugt enthaltend Aluminium, Zink, Kupfer, Titan, Eisen, Chrom und/oder Mangan, eingesetzt. Bei dieser Ausführungsform liegen feste Teilchen wie Nanopartikel in einer bevorzugt wässrigen Dispersion vor. Die Konzentration dieser festen Teilchen in der Dispersion beträgt beispielsweise 10 bis 80 g/l.
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Nanopartikel sind dem Fachmann an sich bekannt. Die Nanopartikel weisen bevorzugt eine Länge von 5 bis 50 µm, bevorzugt 10 bis 30 µm, und einer mittleren Dicke von 1 bis 2 µm auf. Bevorzugt werden Partikel die Oval sind, also der Längen deutlich grösser zu deren Höhe ist. Aufgrund der Geometrie werden die Nanopartikel auch als Nanoflakes bezeichnet. Damit kann ein hoher Bedeckungsgrad der Oberfläche erreicht werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Beschichtung V1 bevorzugt in einer Auflagendicke von 1 bis 50 µm, insbesondere 2 bis 15 µm oder 10 bis 40 µm, aufgebracht.
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Die Beschichtung V1 kann an verschiedenen Stellen bzw. Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht werden. Bei allen möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens resultiert ein beschichtetes Bauteil, welches im Vergleich zu entsprechenden unbeschichteten Bauteilen deutliche technische Vorteil aufweist, beispielsweise bezüglich der Tribologie und damit einhergehenden Abriebes im Werkzeug, insbesondere bei der Verwendung von Magnesiumverbindungen, einer verbesserten Schweißeignung bei z.B. Nutzung von leitenden Partikeln oder Beschichtungen z.B. Kupferpartikel, eines verbesserten Korrosionsschutzes aufgrund des Vorliegens einer weiteren Schutzschicht, insbesondere bei der Verwendung von Zinkverbindungen.
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Die verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen zum Aufbringen der Beschichtung V1 werden im Folgenden detailliert beschrieben.
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Schritt (D) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Abkühlen der Platine auf eine Temperatur von 300 bis 700 °C, bevorzugt 500 bis 650 °C.
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Im Allgemeinen kann das Abkühlen in Schritt (D) nach allen dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann die Platine in Schritt (D) konventionell durch Luft oder Wasser abgekühlt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Abkühlen in Schritt (D) auch durch Walzen erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (D) die Platine durch das Aufbringen einer Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 auf eine Temperatur von 300 bis 700 °C, bevorzugt 500 bis 650 °C, abgekühlt.
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In dieser Ausführungsform wird die Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 bevorzugt als wässrige Lösung, Aerosol oder Dispersion, bevorzugt als wässrige Lösung oder Aerosol, aufgebracht. Dazu befinden sich beispielsweise nach dem Ofen, in dem Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ist, entsprechende Vorrichtungen, mit denen eine wässrige Lösung, ein Aerosol oder eine Dispersion appliziert werden kann, insbesondere Düsen, weiter bevorzugt eine Düsenleiste. Erfindungsgemäß wird die Platine durch den Kontakt mit der bevorzugt wässrigen Lösung oder dem Aerosol und das Verdampfen des Wassers auf eine Temperatur von 300 bis 700 °C abgekühlt. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, dass eine Agglomeration in der Beschichtung V1 durch das sofortige Verdampfen des Wassers größtenteils vermieden wird, so dass eine besonders homogene Beschichtung V1 erhalten wird.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird zur Ausbildung der Beschichtung V1 besonders bevorzugt eine wässrige Lösung oder ein Aerosol enthaltend Sulfate und/oder Phosphate von Alkali- oder Erdalkalimetallen, beispielsweise Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ammonium, Kupfer und Aluminium, insbesondere Kaliumsulfat, eingesetzt (Dabei weist die eingesetzte wässrige Lösungen bevorzugt eine Konzentration der darin gelösten Substanzen von beispielsweise 10 bis 100 g/l, bevorzugt 20 bis 70 g/l, besonders bevorzugt 30 bis 60 g/l, auf. Wird erfindungsgemäß ein Aerosol eingesetzt, so basiert dieses Aerosol auf einer entsprechend konzentrierten wässrigen Lösung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (D) nach dem Abkühlen der Platine auf eine Temperatur von 300 bis 700 °C, bevorzugt 500 bis 650 °C, eine Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 auf die Platine aufgebracht. Das Abkühlen der Platine in Schritt (D) kann beispielsweise wie oben beschrieben erfolgen, beispielsweise durch Applikation von Wasser, Luft oder durch Walzen. Nach dem Abkühlen wird dann die Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 aufgebracht. Diese kann, wie oben ausgeführt, erfindungsgemäß mittels einer wässrigen Lösung, Aerosol oder als Dispersion aufgebracht werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt wird in dieser Ausführungsform zum Aufbringen der Beschichtung V1 eine, bevorzugt wässrige, Dispersion von Nanopartikeln, bevorzugt enthaltend Aluminium, Zink, Kupfer, Titan, Eisen, Chrom und/oder Mangan, eingesetzt. Bei dieser Ausführungsform liegen feste Teilchen wie Nanopartikel in einer bevorzugt wässrigen Dispersion vor. Die Konzentration dieser festen Teilchen in der Dispersion beträgt beispielsweise 10 bis 80g/l. Das Aufbringen der der genannten Dispersion kann beispielsweise durch eine Spritz- und Abquetscheinrichtung erfolgen. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Schichtdicke homogener über das Bauteil eingestellt werden kann.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird die Platine durch das Aufbringen der wässrigen Lösung, des Aerosols oder der Dispersion weiter gekühlt, so dass es eine Temperatur von beispielsweise unterhalb 500 °C, bevorzugt unterhalb 300 °C, aufweist. Gegebenenfalls wird gemäß dieser Ausführungsform das Bauteil erwärmt, beispielsweise in einem Infrarot- oder Induktionsofen, um eine für die im folgenden Verfahrensschritt stattfindende Umformung genügend hohe Temperatur von 300 bis 700 °C, bevorzugt 500 bis 650 °C, aufzuweisen.
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Gemäß dieser Ausführungsform wir eine Beschichtung V1 erhalten, die besonders deckend, homogen und dicht appliziert ist.
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Bevorzugt wird das Bauteil aus Schritt (D), gemäß den genannten Ausführungsformen mit der Beschichtung V1 beschichtet oder unbeschichtet, gegebenenfalls nach erneutem Erwärmen, in den Verfahrensschritt (E) überführt.
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Schritt (E) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Umformen der Platine aus Schritt (D), um das Stahlbauteil zu erhalten.
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Das Umformen von Platinen, um daraus entsprechend geformte Bauteile zu erhalten, ist dem Fachmann an sich bekannt. Das Umformen in Schritt (E) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 300 bis 1100 °C. Daher wird bevorzugt vor Schritt (E) des erfindungsgemäßen Verfahrens das aus Schritt (D) erhaltene Bauteil auf eine entsprechende Temperatur erwärmt. Bevorzugt erfolgt das Umformen erfindungsgemäß in einem gekühlten Werkzeug. Dies kann je nach verwendeter Stahlvariante dazu führen, dass sich ein martensitisches Gefüge einstellt. Des Weiteren dient dieses Vorgehen auch dazu, dass die Bauteile per Hand entnommen werden können. Es werden erfindungsgemäß bevorzugt Zugfestigkeiten von 600 bis 2000 MPa erhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Beschichtung V1 oder Vorläuferverbindungen der Beschichtung V1 nach Schritt (E) auf das Stahlbauteil aufgebracht. Diese Ausführungsform wird bevorzugt dann durchgeführt, wenn in Schritt (D) des Verfahrens keine Beschichtung stattgefunden hat.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird eine wässrige Lösung, ein Aerosol oder eine Dispersion enthaltend die Substanzen, die in der Beschichtung V1 vorkommen oder deren Vorläuferverbindungen, wie oben beschrieben bevorzugt auf das umgeformte Bauteil aufgebracht. Bevorzugt erfolgt das bei einer Temperatur von 600 bis 1000 °C. Durch das Aufbringen der wässrigen Lösung, des Aerosols oder der Dispersion gelingt es, dass umgeformte Bauteile schnell abzukühlen, so dass sich in dem Bauteil das gewünschte oben genannte Härtegefüge ausbildet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein beschichtetes Stahlbauteil, erhältlich durch das erfindungsgemäße Verfahren. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gelingt es, ein entsprechendes beschichtetes Stahlbauteil bereitzustellen, welches eine besonders homogene und fein einstellbare Beschichtung V1 aufweist, die bestimmte Eigenschaften wie Tribologie und Beschichtbarkeit mit automobiltypischen Systemen im Vergleich zu nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteilen deutlich verbessert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein beschichtetes Stahlbauteil, wobei es eine Beschichtung V1 enthaltend Sulfate von Alkali- oder Erdalkalimetallen, Ammonium, Kupfer und Aluminium, Oxide von Silizium, Aluminium, Zink, Mangan und/oder Magnesium, und/oder Nanopartikel oder Nanoflakes, bevorzugt enthaltend Aluminium, Zink, Kupfer, Titan, Eisen, Chrom und/oder Mangan, aufweist, wobei die Beschichtung V1 in einer Auflagendicke von 1 bis 50 µm, insbesondere 2 bis 15 µm oder 10 bis 40 µm, vorliegt.
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Bezüglich der erfindungsgemäßen beschichteten Bauteile gilt das zu dem erfindungsgemäßen Verfahren Gesagte.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahlbauteils im Automobilsektor, insbesondere als B-Säule, Schweller, Bumper oder Tunnel.
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Bezüglich der erfindungsgemäßen Verwendung gilt das zu dem erfindungsgemäßen Verfahren Gesagte.
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Beispiele
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Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele dienen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Stahlplatinen mit den in Tabelle 1 genannten Zusammensetzungen werden im Schmelztauchverfahren mit den in Tabelle 2 genannten Schutzüberzügen versehen. Anschließend werden die beschichten Platinen in einem Rollenherdofen auf die in Tabelle 4 genannten Temperaturen gebracht und für die in Tabelle 4 genannten Verweilzeiten bei dieser Temperatur gehalten. Das Abkühlen erfolgt entweder mit Luft und/oder Wasser, oder mit den in Tabelle 3 definierten Beschichtungsmedien. In einer dem Fachmann bekannten Formpresse werden die Platinen zum dem gewünschten Bauteil umgeformt. Das Werkzeug ist gekühlt, so dass das Bauteil bei der Entnahme eine Temperatur von weniger als 100 °C aufweist.
Tabelle 1: Zusammensetzungen der eingesetzten Stähle:
| Stahl Nr. | C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | Ti | B |
| I | 0,23 | 0,38 | 1,38 | 0,020 | 0,009 | 0,010 | - | 0,03 | 0,005 |
| II | 0,22 | 0,35 | 1,20 | 0,020 | 0,007 | 0,008 | - | 0,025 | 0,004 |
| III | 0,08 | 0,30 | 0,9 | 0,025 | 0,023 | 0,011 | 0,08 | 0,10 | 0,004 |
| IV | 0,08 | 0,45 | 1,50 | 0,025 | 0,023 | 0,011 | 0,08 | 0,10 | 0,004 |
| V | 0,35 | 0,35 | 1,38 | 0,020 | 0,009 | 0,010 | - | 0,12 | 0,004 |
| Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, Angaben jeweils in Gew.-% |
Tabelle 2: Zusammensetzungen der eingesetzten Schutzüberzüge:
| Schutzüberzug Nr. | Zn | Al | Si | Fe | Mg |
| S1 | 99 | 0,22 | - | - | - |
| S2 | 97 | 1,2 | - | - | 1,2 |
| S3 | 98 | 1,2 | - | - | 0,3 |
| S4 | - | 87 | 9,5 | 3 | 0,3 |
| S5 | - | 88 | 8 | 3,5 | - |
| S6 | - | 86 | 10 | 3 | 0,5 |
| Rest unvermeidbare Verunreinigungen, Angaben jeweils in Gew.-% |
Tabelle 3: Für die Beschichtungen V1 verwendete wässrige Zubereitungen:
| Beschichtung Nr. | Beschichtungsmedium | Konzentration in Wasser [g/l] |
| b1 | Zink-Nanopartikel (5 bis 20 µm) | 70 |
| b2 | Calciumsulfat | 35 |
| b3 | Kupfersulfat | 50 |
| b4 | Magnesium-Nanopartikel (5 bis 15 µm) | 80 |
Tabelle 4:
| Versuch Nr. | Stahl Nr. | Schutzüberzug Nr. | Auflagengewicht je Seite [g/m2] | Aufheiztemperatur [°C] | Verweilzeit im Ofen [min] | Abkühlungsmedium | Beschichtungs-Stelle | Beschichtung Nr. |
| 1 | II | S3 | 70 | 880 | 5 | Luft-Wasser | nach Schritt D | b2 |
| 2 | I | S1 | 72 | 890 | 4 | Luft | nach Schritt D | b3 |
| 3 | II | S4 | 68 | 950 | 5 | Beschichtungsmedium b1 | während Schritt D | b1 |
| 4 | V | S2 | 74 | 880 | 5 | Beschichtungsmedium b3 | während Schritt D | b3 |
| 5 | V | S6 | 65 | 950 | 6 | Beschichtungsmedium b2 | während Schritt D | b2 |
| 6 | II | S5 | 70 | 920 | 5 | Luft | nach Schritt D | b2 |
| 7 | III | S4 | 69 | 925 | 5 | Luft-Wasser | nach Schritt E | b2 |
| 8 | II | S6 | 70 | 920 | 5 | Luft-Wasser | nach Schritt D | b2 |
| 9 | III | S3 | 65 | 920 | 5 | Beschichtungsmedium b4 | während Schritt D | b4 |
| 10 | I | S6 | 72 | 925 | 6 | Luft | nach Schritt E | b1 |
Tabelle 5: Ergebnisse
| Versuch Nr. | Erster Rotrost gemäß VDA 230-102 (06/2013) | Reibwertermittlung durch Streifenziehversuch | Gitterschnitt an KT-Iackierten Oberflächen nach DIN EN ISO 2409 (06/2013) |
| 1 | - | -20% | - |
| 2 | +50% | - | - |
| 3 | +60% | - | GT 0 |
| 4 | +50% | - | - |
| 5 | - | -30% | - |
| 6 | - | -25% | - |
| 7 | - | -20% | - |
| 8 | - | -35% | - |
| 9 | +60% | -40% | GT 0 |
| 10 | +70% | - | GT 0 |
| - bedeutet „nicht bestimmt“ |
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Erster Rotrost bedeutet, dass sich das Auftreten des ersten Rotrostes um xx% im Vergleich zu entsprechenden Platinen, die den gleichen Stahl und den gleichen Schutzüberzug, aber keine erfindungsgemäße Beschichtung aufweisen, zu längeren Zeiten hin verschiebt; z.B. tritt bei der Referenz (gleicher Stahl mit gleichem Schutzüberzug aber ohne Beschichtung) nach 48 h der erste Rotrost auf. Ist die Verbesserung mit +50% angegeben, bedeutet dies, dass bei dieser Probe der erste Rotrost erst nach 72 h auftritt.
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Die Reibwertermittlung erfolgt DIN EN ISO 8295 (Oktober 2004). Die in der Tabelle angegebenen Werte bedeuten, dass der Reibwert im Vergleich zur Referenz, d.h. gleicher Stahl mit gleichem Schutzüberzug aber ohne erfindungsgemäße Beschichtung, um xx% abfällt. Beispielsweise weist die Referenz einen Reibwert von 0,32 auf. Fällt durch die erfindungsgemäße Beschichtung der Reibwert um 50%, weist die erfindungsgemäße Probe einen Reibwert von nur noch 0,16 auf. Der Reibwert hat keine Einheit.
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Gitterschnitt an KT-Iackierten Oberflächen nach DIN EN ISO 2409 (Juni 2013) um die Lackhaftung zu überprüfen. Dazu werden mit einem geeigneten Schneidgerät Beschädigungen in die Lackschicht eingebracht. Es müssen dazu mindestens 6 Beschädigungen horizontal und weitere 6 vertikal eingebracht werden, so dass ein Gitter entsteht. An der so entstandenen Beschädigung wird dann anhand von Kennwerte die Eigenschaft beurteilt.
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GT 0: Alle Schnittränder sind vollkommen glatt, keines der Quadrate des Gitters ist abgeplatzt
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GT 1: An den Schnittpunkten der Gitterlinien sind kleine Splitter der Beschichtung abgeplatzt. Die abgeplatzte Fläche ist nicht größer als 5 %
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Evaluierung geht bis zu GT 5. GT 0 und GT 1 werden als i.O. eingestuft.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das erfindungsgemäß hergestellte, beschichtete Bauteil kann vorteilhaft in Automobilsektor verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/0889644 A1 [0003]
- DE 102010056264 A1 [0004]
- DE 102010056265 A1 [0004]
- EP 2993248 A1 [0010]
- DE 102014111501 A1 [0010]
- DE 10246164 B4 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 2409 [0059, 0062]
- DIN EN ISO 8295 [0061]