DE102019126196A1 - Motor vehicle structural component and method for producing a motor vehicle structural component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Strukturbauteil, welches einen warmumformgehärteten Grundkörper 2 aus einem Mangan-Bor-Stahlblech mit einer mehrlagigen Beschichtung 3 besitzt sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kraftfahrzeug-Strukturbauteils. Die Beschichtung 3 weist ausgehend vom Grundkörper 2 aus Mangan-Bor-Stahl eine erste Phosphatschicht 4, eine darauf ausgebildete Zunderschicht 5, eine zweite Phosphatschicht 6 sowie eine äußere Korrosionsschutzschicht 7 auf. Diese Kraftfahrzeug-Strukturbauteile sind insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen außerhalb des Sichtbereichs vorgesehen.The invention relates to a motor vehicle structural component which has a hot-stamping hardened base body 2 made of a manganese-boron steel sheet with a multilayer coating 3 and a method for producing such a motor vehicle structural component. Starting from the base body 2 made of manganese-boron steel, the coating 3 has a first phosphate layer 4, a scale layer 5 formed thereon, a second phosphate layer 6 and an outer corrosion protection layer 7. These motor vehicle structural components are intended in particular for use in motor vehicles outside the field of vision.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Strukturbauteil, welches einen warmformgehärteten Grundkörper aus einem Mangan-Bor-Stahlblech mit einer mehrlagigen Beschichtung aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kraftfahrzeug-Strukturbauteils.The invention relates to a motor vehicle structural component which has a thermoformed base body made of a manganese-boron steel sheet with a multilayer coating, and to a method for producing such a motor vehicle structural component.
Zur Gewichtsreduzierung bei hoher Festigkeit und Schutzwirkung bzw. Erhöhung der Crashfestigkeit werden in der Automobilindustrie in starkem Maße warmpressgeformte bzw. warmumgeformte und gehärtete, üblicherweise pressgehärtete Formbauteile eingesetzt, die aus hochfesten, insbesondere borlegierten Stählen hergestellt werden. Bei solchen Formbauteilen handelt es sich beispielsweise um A- und B-Säulen sowie Stoßfänger, Türaufprallträger oder Längs- und Querträger eines Kraftfahrzeugs.To reduce weight with high strength and protective effect or increase crash resistance, hot-pressed or hot-formed and hardened, usually press-hardened molded components are used in the automotive industry to a large extent, which are made from high-strength, in particular boron-alloyed steels. Such molded components are, for example, A and B pillars as well as bumpers, door impact beams or longitudinal and transverse beams of a motor vehicle.
Die Warmumformung und Presshärtung von Stahlblechen als solches ist bekannt, beispielsweise durch die
Ein Problem bei diesem Prozess ist die Verzunderung der Bauteile. Unter Verzunderung versteht man die Oxidation von Metallen durch direkte Reaktion mit Luftsauerstoff, insbesondere bei höheren Temperaturen. Die Austenitisierung findet bei Temperaturen oberhalb 850°C statt. Bei diesen Temperaturen tritt eine starke Verzunderung auf der Stahloberfläche auf. Die Zunderschicht ist gewöhnlich rau, spröde bzw. inhomogen und platzt schollenförmig vom Grundwerkstoff ab. Die Zunderschicht kann sowohl die Bauteile als auch die Umformwerkzeuge beschädigen. Daher wird die Zunderschicht üblicherweise nach dem Umformen durch Strahlen von den Bauteilen entfernt. Auch müssen die Umformwerkzeuge regelmäßig mit relativ hohem Arbeits- und Zeitaufwand gereinigt werden. Dies geht zu Lasten der Produktivität. In starkem Maße werden daher beim Press- bzw. Formhärten Stahlbleche eingesetzt, die mit einer Schutzschicht gegen Verzunderung versehen sind. Schutzschichten aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen oder Zink bzw. Zinklegierungen können durch Schmelztauchverfahren oder galvanisch auf dem Stahl abgeschieden werden. So zählt beispielsweise durch die
Die
Die in der Fachwelt verfolgten Ansätze richten sich folglich auf einen Verzunderungsschutz.The approaches followed in the professional world are consequently aimed at protection against scaling.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein rationelles und kostengünstiges warmumformgehärtetes Kraftfahrzeug-Strukturbauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen, bei welchem die Prozesskette schneller und insgesamt günstiger gestaltet ist unter Gewährleistung eines gleichbleibend guten Korrosionsschutzes.Based on the prior art, the invention is based on the object of showing an efficient and inexpensive hot-stamped structural motor vehicle component and a method for its production, in which the process chain is designed faster and overall cheaper while ensuring consistently good corrosion protection.
Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einem Kraftfahrzeug-Strukturbauteil gemäß den Merkmalen in Anspruch 1.The objective part of the object is achieved in a motor vehicle structural component according to the features in claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 6 charakterisiert.The method according to the invention is characterized in
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous refinements and developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Strukturbauteil weist einen warmumformgehärteten Grundkörper aus einem Mangan-Bor-Stahlblech auf, der eine mehrlagige Beschichtung an seiner Oberfläche besitzt. Die Beschichtung weist ausgehend vom Grundkörper eine erste Phosphatschicht, eine auf der ersten Phosphatschicht wenigstens flächenabschnittsweise ausgebildete Zunderschicht, eine zweite Phosphatschicht sowie eine äußere Korrosionsschutzschicht auf.The motor vehicle structural component according to the invention has a hot-stamped base body made of a manganese-boron steel sheet, which has a multi-layer coating on its surface. Starting from the base body, the coating has a first phosphate layer, a scale layer formed at least in sections of the first phosphate layer, a second phosphate layer and an outer corrosion protection layer.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass das Mangan-Bor-Stahlblech mit einer ersten Phosphatschicht versehen wird. Diese erste Phosphatschicht wird vorzugsweise nach dem Herstellen des Stahlbandes auf die Oberfläche des Stahlblechs gebracht. Dies erfolgt bevorzugt nasschemisch in einem Durchlaufprozess. Nach einer Trocknung wird das Stahlband auf ein Coil aufgewickelt. Von einem solchen Coil wird das Stahlband aus Mangan-Bor-Stahl abgewickelt und hiervon Platinen abgeteilt. Die eine Phosphatschicht aufweisenden Platinen aus Mangan-Bor-Stahl werden für die Herstellung von warmumgeformten Kraftfahrzeug-Strukturbauteilen verwendet. Die Platinen werden warmumgeformt und pressgehärtet.An essential aspect of the invention is that the manganese-boron steel sheet is provided with a first phosphate layer. This first phosphate layer is preferably applied to the surface of the steel sheet after the production of the steel strip. This is preferably done wet-chemically in a continuous process. After drying, the steel strip is wound onto a coil. The steel strip made of manganese-boron steel is unwound from such a coil and blanks from it partitioned off. The manganese-boron steel blanks, which have a phosphate layer, are used for the production of hot-formed structural components for motor vehicles. The blanks are hot formed and press hardened.
Die Platinen werden auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Mangan-Bor-Stahls erwärmt. Dies erfolgt in einem Ofen. In diesem Erwärmungsprozess erfolgt eine Hochtemperaturoxidation, sobald die erwärmten Bauteile mit Luftsauerstoff in Kontakt treten. Es bildet sich eine Zunderschicht auf der ersten Phosphatschicht aus. Diese Zunderschicht verbleibt auf den Bauteilen. Die Platinen werden aus dem Ofen entnommen und in ein Pressenwerkzeug überführt, wo die erwärmten Platinen zum Grundkörper des Kraftfahrzeug-Strukturbauteils umgeformt und im Pressenwerkzeug eingespannt durch schnelle Abkühlung gehärtet werden.The blanks are heated to a temperature above the AC3 temperature of the manganese-boron steel. This is done in an oven. In this heating process, high-temperature oxidation takes place as soon as the heated components come into contact with atmospheric oxygen. A layer of scale forms on the first phosphate layer. This layer of scale remains on the components. The blanks are removed from the furnace and transferred to a press tool, where the heated blanks are formed into the basic body of the motor vehicle structural component and hardened by rapid cooling while they are clamped in the press tool.
Die erste Phosphatschicht auf dem Ausgangsstahlband bzw. den hiervon abgeteilten Platinen ist eine Zink-Phosphatschicht. Beim Warmumform- und Presshärteprozess verflüchtigt sich der Zinkanteil in der ersten Phosphatschicht so stark, dass nach dem Presshärten kein Zink in der ersten Phosphatschicht mehr nachweisbar ist. Die erste Phosphatschicht am späteren Grundkörper bzw. Kraftfahrzeug-Strukturbauteil besteht aus Eisen, Phosphat und Sauerstoff (O2). Die Zunderschicht besteht aus Eisenoxid (FexOy).Die warmformgehärteten Grundkörper weisen in diesem Stadium eine erste Phosphatschicht und auf der ersten Phosphatschicht eine Zunderschicht auf. Die Grundkörper werden aus dem Pressenwerkzeug entnommen.The first phosphate layer on the starting steel strip or the blanks separated from it is a zinc phosphate layer. During the hot forming and press hardening process, the zinc content in the first phosphate layer evaporates to such an extent that no zinc can be detected in the first phosphate layer after press hardening. The first phosphate layer on the subsequent base body or structural component of the motor vehicle consists of iron, phosphate and oxygen (O2). The scale layer consists of iron oxide (FexOy). The thermoformed base bodies have a first phosphate layer at this stage and a scale layer on the first phosphate layer. The base bodies are removed from the press tool.
Im Rahmen der Erfindung liegt die Zunderschicht auf der ersten Phosphatschicht bevorzugt vollflächig vor. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine derartige Zunderschicht nur flächenabschnittsweise vorhanden ist und andere Flächenabschnitte keine Zunderschicht aufweisen. Insbesondere kann die Zunderschicht in ihrer Dicke variieren. Dies kann im Ofen während des Warmformprozesses gezielt eingestellt werden über die Schutzgaszusammensetzung und/oder die Schutzgasmenge und/oder die Ofenabdichtung.In the context of the invention, the scale layer is preferably present over the entire surface of the first phosphate layer. However, it can also be provided that such a scale layer is only present in sections of the surface and other surface sections do not have a scale layer. In particular, the scale layer can vary in thickness. This can be set in a targeted manner in the furnace during the hot forming process via the protective gas composition and / or the protective gas amount and / or the furnace seal.
Unmittelbar im Anschluss an den Umform- und Härtevorgang oder auch zeitlich später wird auf den warmformgehärteten Grundkörpern bzw. auf der Zunderschicht des Grundkörpers eine zweite Phosphatschicht erzeugt. Dies erfolgt vorzugsweise nasschemisch in einem Phosphatierungsbad. Hierzu werden die warmformgehärteten Grundkörper durch ein Phosphatierungsbad geführt. Bei dieser schichtbildenden Phosphatierung erfolgt ein Phosphatschichtaufbau durch Metallkationen aus der Phosphatlösung. Zusätzlich können Metallkationen aus der Zunderschicht beteiligt sein.Immediately after the forming and hardening process or later, a second phosphate layer is produced on the thermoformed base bodies or on the scale layer of the base body. This is preferably done wet-chemically in a phosphating bath. For this purpose, the thermoformed base bodies are passed through a phosphating bath. With this layer-forming phosphating, a phosphate layer is built up by metal cations from the phosphate solution. In addition, metal cations from the scale layer can be involved.
Im Anschluss an den Auftrag der zweiten Phosphatschicht werden die Grundkörper mit einer äußeren Korrosionsschutzschicht versehen. Die äußere Korrosionsschutzschicht wird auf die zweite Phosphatschicht des Grundkörpers aufgebracht. Insbesondere handelt es sich bei der äußeren Korrosionsschutzschicht um eine kathodische Tauchlackierung.Following the application of the second phosphate layer, the base bodies are provided with an external corrosion protection layer. The outer corrosion protection layer is applied to the second phosphate layer of the base body. In particular, the outer corrosion protection layer is a cathodic dip coating.
Die Phosphatierung ist grundsätzlich bekannt und ein weit verbreitetes Verfahren in der Oberflächentechnik. Eine Phosphatierung wird üblicherweise zum Korrosionsschutz oder der Haftvermittlung sowie zur Reib- und Verschleißminderung vorgenommen. Es ist auch üblich, unbeschichtete Grundkörper von warmformgehärteten Kraftfahrzeug-Strukturbauteilen vor der kathodischen Tauchlackierung zu phosphatieren. Die Phosphatschicht bildet den Untergrund für die Oberflächenbeschichtung.Phosphating is known in principle and is a widely used process in surface technology. Phosphating is usually carried out to protect against corrosion or to promote adhesion, as well as to reduce friction and wear. It is also customary to phosphate uncoated base bodies of thermoformed structural motor vehicle components prior to cathodic dip painting. The phosphate layer forms the substrate for the surface coating.
Gemäß der Erfindung wird der Grundkörper des Kraftfahrzeug-Strukturbauteils mit zwei Phosphatschichten versehen. Die erste Phosphatschicht wird vorteilhafterweise direkt nach dem Walzen des Stahlbandes aufgetragen. Von diesem Stahlband werden einzelne Platinen abgeteilt und dem Warmform- und Presshärteprozess unterzogen. Hierbei bildet sich eine Zunderschicht auf der ersten Phosphatschicht. Diese verbleibt auf dem Bauteil. Hierauf erfolgt der Auftrag der zweiten Phosphatschicht und der äußeren Korrosionsschutzschicht.According to the invention, the base body of the motor vehicle structural component is provided with two phosphate layers. The first phosphate layer is advantageously applied directly after the steel strip has been rolled. Individual blanks are separated from this steel strip and subjected to the hot forming and press hardening process. A layer of scale forms on the first phosphate layer. This remains on the component. This is followed by the application of the second phosphate layer and the outer corrosion protection layer.
Die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Strukturbauteile kommen insbesondere innerhalb eines Kraftfahrzeugs außerhalb des Sichtbereichs zum Einsatz. Solche Kraftfahrzeug-Strukturbauteile sind beispielsweise Stoßfängerquerträger, Türaufprallträger, A-Säulenverstärkungen und ähnliches. Dies sind keine Sichtteile. Bei solchen Kraftfahrzeug-Strukturbauteilen ist es unschädlich, dass die Bauteile rein optisch weniger gut aussehen. Allerdings bieten die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Strukturbauteile ebenso wie das Verfahren zur Herstellung ein hohes Potenzial zur Kosteneinsparung. Sowohl die Entfernung der Zunderschicht von den Grundkörpern, als auch die Entfernung der Zunderschicht von den Pressenwerkzeugen ist nicht notwendig. Es wurde festgestellt, dass die sich auf der ersten Phosphatschicht bildende Zunderschicht fest auf der ersten Phosphatschicht anhaftet. Es bildet sich eine festhaftende dichte bzw. homogenere Zunderschicht, die nicht zum Abplatzen neigt. Auf der Zunderschicht wird eine zweite Phosphatschicht ausgebildet. Diese bildet den Untergrund für die äußere Korrosionsschutzschicht, bei der es sich insbesondere um eine kathodische Tauchlackierung handelt.The motor vehicle structural components according to the invention are used in particular inside a motor vehicle outside the field of vision. Such motor vehicle structural components are, for example, bumper cross members, door impact beams, A-pillar reinforcements and the like. These are not visible parts. In the case of such motor vehicle structural components, it is harmless that the components look less good from a purely visual point of view. However, the motor vehicle structural components according to the invention, like the method for production, offer a high potential for cost savings. Neither the removal of the scale from the base bodies nor the removal of the scale from the press tools is necessary. It was found that the scale layer formed on the first phosphate layer adheres firmly to the first phosphate layer. A firmly adhering, dense or more homogeneous layer of scale forms, which does not tend to flake off. A second phosphate layer is formed on the scale layer. This forms the substrate for the outer corrosion protection layer, which is in particular a cathodic dip coating.
Die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Strukturbauteile bzw. deren warmformgehärteten Grundkörper aus Mangan-Bor-Stahlblech weisen eine Zugfestigkeit Rm von 1.250 MPa bis 2.100 MPa auf.The motor vehicle structural components according to the invention or their thermoformed base bodies made of manganese-boron sheet steel have a tensile strength R m of 1,250 MPa to 2,100 MPa.
Im Rahmen der Erfindung können Stahlbleche bzw. Blechplatinen mit gleicher oder verschiedener Wanddicke verwendet werden, sogenannte Tailored welded blanks oder Tailored rolled blanks.In the context of the invention, sheet steel or sheet metal blanks with the same or different wall thicknesses, so-called tailored welded blanks or tailored rolled blanks, can be used.
Der Grundkörper kann nach dem Presshärten auch Flächenabschnitte mit einer reduzierten Zugfestigkeit aufweisen, insbesondere als Solldeformationsstelle, Funktions- oder Fügestelle bzw. Flansch oder als nachträglich mechanisch umzuformende oder zu schneidende Stelle. Solche Bauteile werden auch als „Tailored Property Parts“ bezeichnet.After press hardening, the base body can also have surface sections with a reduced tensile strength, in particular as a desired deformation point, functional or joining point or flange, or as a point to be mechanically reshaped or cut later. Such components are also referred to as “Tailored Property Parts”.
Ebenfalls kann der Grundkörper aus einem mehrlagigen Verbundstahlblech bestehen mit einer Mittellage, insbesondere aus einem warmformbaren Stahl wie Mangan-Bor-Stahl und wenigstens einer damit flächig und untrennbar verbundenen Außenlage aus einer duktileren oder nicht härtbaren Stahllegierung. Derartige Verbundstahlbleche sind beispielsweise bei der Stahlbandherstellung walztechnisch herstellbar.The base body can also consist of a multi-layer composite steel sheet with a middle layer, in particular a thermoformable steel such as manganese-boron steel and at least one outer layer made of a more ductile or non-hardenable steel alloy that is flat and inseparable. Such composite steel sheets can be produced by rolling, for example, in the production of steel strips.
Die erste Phosphatschicht und/oder die zweite Phosphatschicht besitzen eine Schichtdicke von jeweils einschließlich 0,5 µm bis 3,0 µm. Eine vorteilhafte Schichtdicke der Phosphatschicht liegt im Bereich von ca. 1,5 µm.The first phosphate layer and / or the second phosphate layer have a layer thickness of 0.5 μm to 3.0 μm, inclusive. An advantageous layer thickness of the phosphate layer is in the range of approx. 1.5 µm.
Die Zunderschicht zwischen der ersten Phosphatschicht und der zweiten Phosphatschicht weist eine Schichtdicke von 20 µm bis 200 µm, insbesondere 50 µm bis 100µm auf. Insbesondere liegt die Schichtdicke der Zunderschicht im Bereich von 100 µm ± 20 µm.The scale layer between the first phosphate layer and the second phosphate layer has a layer thickness of 20 μm to 200 μm, in particular 50 μm to 100 μm. In particular, the layer thickness of the scale layer is in the range of 100 µm ± 20 µm.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen ergänzend erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug-Strukturbauteil in einer Perspektive; -
2 einen Ausschnitt aus der Bauteilwand des Kraftfahrzeug-Strukturbauteils und -
3 einen weiteren Ausschnitt aus der Bauteilwand eines Kraftfahrzeug-Strukturbauteils.
-
1 a motor vehicle structural component according to the invention in a perspective; -
2 a section of the component wall of the motor vehicle structural component and -
3 Another section from the component wall of a motor vehicle structural component.
Die Beschichtung
Die erste Phosphatschicht
Zur Herstellung des Kraftfahrzeug-Strukturbauteils
Nach Entnahme des umgeformten Grundkörpers
Auch die
Die erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Strukturbauteile
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1 -1 -
- Kraftfahrzeug-StrukturbauteilMotor vehicle structural component
- 2 -2 -
- GrundkörperBase body
- 3 -3 -
- BeschichtungCoating
- 4 -4 -
- erste Phosphatschichtfirst phosphate layer
- 5 -5 -
- ZunderschichtScale layer
- 6 -6 -
- zweite Phosphatschichtsecond phosphate layer
- 7 -7 -
- KorrosionsschutzschichtCorrosion protection layer
- 8 -8th -
- mittlerer Bereich middle area
- p1 -p1 -
- Schichtdicke von 4Layer thickness of 4
- p2 -p2 -
- Schichtdicke von 6Layer thickness of 6
- z -z -
- Schichtdicke von 5Layer thickness of 5
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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Title |
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Phosphatierung. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 06.02.2020, URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Phosphatierung [abgerufen am 05.05.2020] * |
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