DE102018114838A1

DE102018114838A1 - Kraftfahrzeugbauteil aus Vergütungsstahl

Info

Publication number: DE102018114838A1
Application number: DE102018114838.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Pohl
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-12-24
Also published as: WO2019242818A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil aus einem Vergütungsstahl mit einer Beschichtung aus Zink. Hierbei wird ein höchstfester Vergütungsstahl auf Basis einer Bor-Mangan-Stahl-Legierung verwendet. Die Beschichtung ist eine aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehende Zink-Diffusionsbeschichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbauteil aus einem Vergütungsstahl mit einer Beschichtung aus Zink.
Die Beschichtung von Profilbauteilen aus Stahlblech erfolgt mit dem Ziel, deren Eigenschaften zu verbessern. Hierdurch können insbesondere die Korrosionsbeständigkeit aber auch die Verschleißfestigkeit erhöht werden.
Verfahren zum Auftragen von festhaftenden Beschichtungen aus formlosen Stoffen auf metallische Oberflächen sind im Stand der Technik bekannt. Hierzu zählen das Feuerverzinken ebenso wie das Spritzverzinken, das galvanische Verzinken oder das Sherardisieren (Diffusionsverzinkung).
Das Sherardisieren ist in der DIN EN ISO 17668:2016 „Zink-Diffusionsschichten auf Eisen - Sherardisieren - Anforderungen“ international spezifiziert. Der Prozess ist diffusionsgesteuert und wird über eine Wärmebehandlung ausgeführt, wobei eine Schicht über die Dampfphase des Zinks erzeugt wird. Die Schichtabscheidung erfolgt durch Phasenreaktion mit der Oberfläche der metallischen Profilbauteile, bei der eine Zink-Eisen-Legierungsschicht entsteht. Die Schicht wächst aus der Oberfläche der Profilbauteile und ist daher konturnah.
Aus der EP 1 646 458 B1 sind Verfahren zur Herstellung von pressgehärteten Bauteilen, insbesondere von Karosseriebauteilen, aus einem Halbzeug aus ungehärtetem, warm umformbaren Stahlblech bekannt. Der pressgehärtete Bauteilrohling wird in einem Beschichtungsschritt unter Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens mit einer vor Korrosion schützenden Schicht überzogen. Dort kommen vorteilhafterweise wasserhärtende Vergütungsstähle zur Anwendung.
Dies sieht auch die DE 103 48 086 A1 vor. Diese beschreibt ein warmgeformtes und pressgehärtetes Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil für ein Kraftfahrzeug aus hochfestem Stahl mit einer Korrosionsschutzschicht aus Zink. Die Korrosionsschutzschicht besteht aus einer in einem Feststoffdiffusionsverfahren erzeugten Zink-/Eisenlegierung, wobei die Schichtdicke kleiner gleich 10 µm beträgt.
Durch die DE 10 2005 002 706 A1 zählt ein Verfahren zum Aufbringen einer festen metallischen Beschichtung, insbesondere aus Zink bzw. einer Zinklegierung, auf ein Profilbauteil aus Stahlblech zum Stand der Technik. Hierbei wird das Profilbauteil in einem Behandlungsraum mit einem Metallpulver eingenebelt. Das Metallpulver wird elektrostatisch auf der Oberfläche des Profilbauteils vollflächig abgeschieden. In einem sich anschließenden Wärmebehandlungsvorgang erfolgt ein Diffusionsprozess zwischen dem Stahlblech und dem Metallpulver, wobei die Beschichtung ausgebildet wird. Die Beschichtung der Profilbauteile erfolgt in einem Durchlaufprozess.
Die EP 2 271 784 B1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines metallischen Profilbauteils mit Zink, welches als Sherardisierverfahren durchgeführt wird. Die zu beschichtenden Profilbauteile werden zusammen mit Zink als Beschichtungsmittel bei einer Temperatur zwischen 200°C und 500°C in einem Reaktionsraum wärmebehandelt. Bei dem Reaktionsraum handelt es sich insbesondere um langsam rotierende geschlossene Behälter, beispielsweise einer Trommel oder einem Drehofen. Vor dem Beginn der Wärmebehandlung wird der Sauerstoffgehalt der in dem Reaktionsraum enthaltenen Atmosphäre auf weniger gleich 5 Vol.-% eingestellt. Des Weiteren wird dem Reaktionsraum vor der Wärmebehandlung ein Flussmittel zugeführt.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein hochfestes korrosionsbeständiges Kraftfahrzeugbauteil mit verbessertem Belastungsverhalten zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1.
Vorteilshafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 4.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteil ist aus einem Vergütungsstahl hergestellt. Dieser Vergütungsstahl besteht aus einer Stahllegierung, welche neben Eisen (Fe) als Hauptbestandteil und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungselemente jeweils als Masseanteile der Schmelzanalyse in Prozent (Ma.-%) enthält:

Kohlenstoff (C)	0,3 - 0,4
Silizium (Si)	0,15 - 1,0
Mangan (Mn)	0,5 - 2,0
Phosphor(P)	maximal 0,05
Schwefel (S)	maximal 0,01
Stickstoff (N)	maximal 0,01
Chrom (Cr)	0,05 - 1,0
Nickel (Ni)	maximal 0,3
Kupfer (Cu)	maximal 0,1
Molybdän (Mo)	maximal 0,5
Aluminium (AI)	maximal 0,1
Niob (Nb)	0,02 - 0,1
Vanadium (V)	maximal 0,06
Titan (Ti)	maximal 0,1
Bor (B)	0,001 - 0,01 .

Die Beschichtung ist eine aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehende Zink-Diffusionsbeschichtung.

Eine besonders vorteilhafte Stahllegierung setzt sich in Masseanteilen in Prozent (Ma.-%) folgendermaßen zusammen:

Kohlenstoff (C)	0,32 - 0,38
Silizium (Si)	0,2 - 0,50
Mangan (Mn)	0,8 - 1,5
Phosphor(P)	maximal 0,02
Schwefel (S)	maximal 0,005
Stickstoff (N)	maximal 0,005
Chrom (Cr):	0,1 -0,5
Nickel (Ni)	maximal 0,1
Kupfer (Cu)	maximal 0,05
Molybdän (Mo)	maximal 0,3
Aluminium (AI)	maximal 0,06
Niob (Nb)	0,02 - 0,06
Vanadium (V)	maximal 0,05
Titan (Ti)	maximal 0,01
Bor (B)	0,001 - 0,005

Rest Eisen (Fe) nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Insbesondere handelt es sich bei den Kraftfahrzeugbauteilen um warmumgeformte und pressgehärtete Profilbauteile. Hierbei wird ein Stahlblech aus dem erfindungsgemäßen Vergütungsstahl auf eine Temperatur über AC3 erwärmt und danach schnell, d. h. in der Regel in weniger als 5 s, umgeformt und im Presswerkzeug eingespannt einer Schnellkühlung unterzogen, so dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird. Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, welches sich sehr gut für Struktur-, Karosserie- und Sicherheitsbauteile im Fahrzeug eignet. Die Kraftfahrzeugbauteile können auch nur bereichsweise gehärtet sein, also lokal unterschiedliche Gefüge und/oder Materialeigenschaften aufweisen.
Die Stahllegierung weist eine aufeinander abgestimmte chemische Zusammensetzung auf, die besonders vorteilhaft für das Warmformen und Presshärten geeignet ist. Im Ausgangszustand liegt ein ferritisch-perlitisches Gefüge vor. Durch die Härtungsbehandlung kann das Gefüge in ein rein martensitisches Gefüge umgewandelt werden. Hierdurch werden die Zugfestigkeiten auf 1.800 MPa bis 2.200 MPa erhöht. Die Einstellung der Bauteileigenschaften erfolgt im Wesentlichen durch die Abkühlung im Werkzeug. Durch eine Steuerung der Abkühlung lassen sich Kraftfahrzeugbauteile mit graduierten Festigkeitseigenschaften herstellen.
Das partielle Presshärten bietet die Möglichkeit, die Kraftfahrzeugbauteile mit partiell unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit und der Dehnung zu versehen. Beim partiellen Presshärten, das auch Tailored Tempering genannt wird, werden über eine gezielte Temperaturführung im Warmformprozess partiell bzw. lokal unterschiedliche Bauteileigenschaften eingestellt. Die angestrebten mechanischen Eigenschaften werden über die Wahl unterschiedlicher Gefügeumwandlungen erzeugt.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein Kraftfahrzeugbauteil Bereiche mit unterschiedlichen Wanddicken aufweist. Als Ausgangsplatine für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile können dann Tailored Blanks, insbesondere Tailored Rolled Blanks (TRB) zum Einsatz gelangen, die aus erfindungsgemäß verwendetem Vergütungsstahl bestehen.
Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile warmumgeformt und pressgehärtet. Hierbei kann das Bauteil vollständig oder auch nur bereichsweise pressgehärtet sein. Die Umformung kann direkt oder indirekt erfolgen.
Die direkte einstufige Warmumformung ist das meist verbreitete Verfahren innerhalb der Warmumformung. Bei der direkten Warmumformung wird das Bauteil bei einer stahlabhängigen Temperatur austenitisiert, zur gekühlten Matrize bzw. dem Presswerkzeug transferiert und dann umgeformt. Die Umformung und die Bauteilhärtung finden in einem Schritt statt. Auf diese Weise sind komplexe Geometrien formbar, weil der Werkstoff bei hohen Temperaturen über sehr gute Formbarkeit verfügt.
Bei der indirekten Warmumformung wird das Bauteil zuerst kalt bzw. ungeheizt vorgeformt bzw. tiefgezogen. Anschließend wird das Bauteil auf die Austenitisierungstemperatur geheizt und fertiggeformt. Dieser zusätzliche Schritt erweitert die Formgrenzen für sehr komplexe Geometrien.
Als Beschichtungsstoff kommt insbesondere ein Metallpulver auf Basis von Zink oder einer Zinklegierung zur Anwendung. Hierbei kann es sich um reines Zinkpulver handeln, aber auch um ein mit Additiven ergänzt formuliertes Metallpulver. Die einzelnen Zinkkörner sind in der Regel mit einer Oxidhaut überzogen.
Bei der Wärmebehandlung wird durch einen Diffusionsprozess zwischen den Kraftfahrzeugbauteilen und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet. Die Wärmebehandlung erfolgt mit einer genauen Temperaturführung. Hierbei liegt die Temperatur der Wärmebehandlung zwischen 300°C und 420°C, insbesondere zwischen 360°C und 420°C.
Die Wärmebehandlung erfolgt über einen Zeitraum von 5 min bis 120 min, insbesondere in einem Zeitraum von 5 min bis 50 min. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 5 min bis 30 min, vorzugsweise über einen Zeitraum von 10 min bis 30 min.
Im Zuge der Wärmebehandlung bildet sich auf den zu beschichtenden Kraftfahrzeugbauteilen durch Diffusion eine Zink-Eisen-Legierungsschicht. Diese entspricht einer Sherardisierschicht.
Die Anwendung eines Sherardisierverfahrens auf Kraftfahrzeugbauteilen aus dem erfindungsgemäßen vorgesehenen Vergütungsstahl ist ungewöhnlich weil ein Fachmann eine Wärmebehandlung dieser Stähle mit Temperaturen oberhalb von 200°C üblicherweise vermeiden würde, um die Zugfestigkeit der Kraftfahrzeugbauteile nicht zu stark herab zu setzen. Allerdings führt die kurze Dauer der Wärmebehandlung zu einer tolerierbaren Absenkung der Zugfestigkeit wohingegen die Duktilität steigt.
Der erfindungsgemäß verwendete Vergütungsstahl weist nach dem Warmformen und Presshärten eine Zugfestigkeit Rm von 1.800 MPa bis 2.200 MPa und eine Streckgrenze Rp0,2 von 1.100 MPa bis 1.500 MPa auf.
Nach der Wärmebehandlung beim Beschichtungsvorgang und Ausbildung der aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehenden Zink-Fusionsbeschichtung besitzen die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteile eine um 20% bis 40% verminderte Zugfestigkeit Rm. Bei der Streckgrenze Rp0,2 führt der Beschichtungsvorgang zu Veränderungen von -15% bis zu +5%.
Insgesamt verfügt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbauteil, bei dem es sich insbesondere um ein Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil handelt, über eine hohe Formgenauigkeit, gute Materialkennwerte sowie hohe Festigkeit und Zähigkeit mit einem sehr guten Korrosionsschutz.
Das erfindungsgemäße Verfahren bei welchem die Beschichtung in einem Durchlaufprozess erfolgt, ist besonders zur Herstellung von crashrelevanten Kraftfahrzeugstrukturbauteilen geeignet, bei denen ein sehr guter Korrosionsschutz und eine sehr hohe Festigkeit in Verbindung mit relativ hoher Duktilität gefordert ist. Dies sind alle Bauteile der Fahrzeugkarosserie die im Bodenbereich liegen, also einer hohen Korrosionsbelastung ausgesetzt sind und/oder die im Crashfall ein hohes Widerstandsmoment bereit stellen sollen ohne zu versagen. Hierbei handelt es sich um Bauteile die einer Knick- oder Biegebelastung ausgesetzt sind. Typische erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteile sind Stoßfängerquerträger, A-, B-, C- oder D-Säulen, Karosserieverstärkungen oder Seitenschweller sowie Seitenaufprallträger.
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

EP 1646458 B1 [0005]
DE 10348086 A1 [0006]
DE 102005002706 A1 [0007]
EP 2271784 B1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 17668:2016 [0004]

Claims

Kraftfahrzeugbauteil aus einem Vergütungsstahl mit einer Beschichtung aus Zink, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergütungsstahl aus einer Stahllegierung besteht, welche neben Eisen (Fe) und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungselemente (Masseanteile der Schmelzanalyse in %) enthält: Kohlenstoff (C) 0,3 - 0,4 Silizium (Si) 0,15 - 1,0 Mangan (Mn) 0,5 - 2,0 Phosphor(P) maximal 0,05 Schwefel (S) maximal 0,01 Stickstoff (N) maximal 0,01 Chrom (Cr) 0,05 - 1,0 Nickel (Ni) maximal 0,3 Kupfer (Cu) maximal 0,1 Molybdän (Mo) maximal 0,5 Aluminium (Al) maximal 0,1 Niob (Nb) 0,02 - 0,1 Vanadium (V) maximal 0,06 Titan (Ti) maximal 0,1 Bor (B) 0,001 - 0,01

und die Beschichtung eine aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehende Zink-Diffusionsbeschichtung ist.
Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1, Zink, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergütungsstahl aus einer Stahllegierung besteht, welche neben Eisen (Fe) und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Legierungselemente (Masseanteile der Schmelzanalyse in %) enthält: Kohlenstoff (C) 0,32 - 0,38 Silizium (Si) 0,2 - 0,50 Mangan (Mn) 0,8 - 1,5 Phosphor (P) maximal 0,02 Schwefel (S) maximal 0,005 Stickstoff (N) maximal 0,005 Chrom (Cr): 0,1 - 0,5 Nickel (Ni) maximal 0,1 Kupfer (Cu) maximal 0,05 Molybdän (Mo) maximal 0,3 Aluminium (Al) maximal 0,06

Niob (Nb) 0,02 - 0,06 Vanadium (V) maximal 0,05 Titan (Ti) maximal 0,01 Bor (B) 0,001 - 0,005 .
Kraftfahrzeugbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest bereichsweise gehärtet, insbesondere pressgehärtet, ist.
Kraftfahrzeugbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Bereiche mit unterschiedlichen Wanddicken aufweist.