DE102020203421A1 - Flat steel product with a ZnCu layer system - Google Patents
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- C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Stahlflachprodukt (13) zur Herstellung eines Stahlbauteils umfassend ein Stahlsubstrat (15) mit einem mindestens auf einer Seite des Stahlsubstrats (15) vorhandenen Korrosionsschutzüberzug (16). Dabei umfasst der Korrosionsschutzüberzug (16) ein Schichtsystem (17). Hierbei umfasst das Schichtsystem (17):zwischen 25 und 40 Gew.-% Kupfer,maximal 5 Gew.-% sonstiger BeilegierungenRest Zink und unvermeidbare Verunreinigungen.The invention relates to a flat steel product (13) for producing a steel component comprising a steel substrate (15) with a corrosion protection coating (16) present on at least one side of the steel substrate (15). The corrosion protection coating (16) comprises a layer system (17). The layer system (17) here comprises: between 25 and 40% by weight of copper, a maximum of 5% by weight of other additional alloys, the remainder of zinc and unavoidable impurities.
Description
Die Erfindung betrifft ein Stahlflachprodukt mit einem Korrosionsschutzüberzug, der ein ZnCu-Schichtsystem aufweist, ein entsprechendes Stahlbauteil sowie Verfahren zur Herstellung von Stahlflachprodukt und Stahlbauteil.The invention relates to a flat steel product with an anti-corrosion coating which has a ZnCu layer system, a corresponding steel component and a method for producing a flat steel product and a steel component.
Wenn hier von „Stahlflachprodukten“ die Rede ist, so sind damit Stahlbänder, Stahlbleche oder daraus gewonnene Platinen und dergleichen gemeint.When "flat steel products" are mentioned here, they mean steel strips, steel sheets or blanks and the like obtained from them.
Um die im modernen Karosseriebau geforderte Kombination aus geringem Gewicht, maximaler Festigkeit und Schutzwirkung zu bieten, werden heutzutage in solchen Bereichen der Karosserie, die im Fall eines Crashs besonders hohen Belastungen ausgesetzt sein könnten, aus hochfesten Stählen warmpressgeformte Bauteile eingesetzt.In order to offer the combination of low weight, maximum strength and protective effect required in modern body construction, hot-pressed components made of high-strength steels are used today in areas of the body that could be exposed to particularly high loads in the event of a crash.
Beim Warmpresshärten, auch Warmumformen genannt, werden Stahlplatinen, die von kalt-oder warmgewalztem Stahlband abgeteilt sind, auf eine in der Regel oberhalb der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Stahls liegende Verformungstemperatur erwärmt und im erwärmten Zustand in das Werkzeug einer Umformpresse gelegt. Im Zuge der anschließend durchgeführten Umformung erfährt der Blechzuschnitt bzw. das aus ihm geformte Bauteil durch den Kontakt mit dem kühlen Werkzeug eine schnelle Abkühlung. Die Abkühlraten sind dabei so eingestellt, dass sich im Bauteil ein Härtegefüge ergibt. Das Gefüge wird in ein martensitisches Gefüge umgewandelt.In hot press hardening, also known as hot forming, steel blanks, which are separated from cold or hot rolled steel strip, are heated to a deformation temperature that is usually above the austenitizing temperature of the respective steel and placed in the heated state in the tool of a forming press. In the course of the subsequent reshaping, the sheet metal blank or the component formed from it undergoes rapid cooling through contact with the cool tool. The cooling rates are set so that a hardness structure results in the component. The structure is converted into a martensitic structure.
Typische Stähle, die für das Warmpresshärten geeignet sind, sind die Stähle A-E, deren chemische Zusammensetzung in der Tabelle 4 aufgelistet ist.Typical steels that are suitable for hot press hardening are steels A-E, the chemical composition of which is listed in Table 4.
Den Vorteilen der für das Warmpresshärten besonders geeigneten Mangan-Bor-Stähle steht in der Praxis der Nachteil gegenüber, dass manganhaltige Stähle im Allgemeinen unbeständig gegen Nasskorrosion sind. Diese im Vergleich zu niedriger legierten Stählen bei Einwirken erhöhter Chloridionen-Konzentrationen starke Neigung zu lokal zwar begrenzter, jedoch intensiver Korrosion macht die Verwendung von zur Werkstoffgruppe der hochlegierten Stahlbleche gehörenden Stählen gerade im Karosseriebau schwierig. Zudem neigen manganhaltige Stähle zu Flächenkorrosion, wodurch das Spektrum ihrer Verwendbarkeit ebenfalls eingeschränkt wird. The advantages of the manganese-boron steels, which are particularly suitable for hot press hardening, are offset in practice by the disadvantage that steels containing manganese are generally not resistant to wet corrosion. This strong tendency to locally limited, but intense corrosion when exposed to increased chloride ion concentrations in comparison to lower alloy steels makes the use of steels belonging to the material group of high-alloy steel sheets difficult, especially in bodywork. In addition, steels containing manganese have a tendency to surface corrosion, which also limits their range of uses.
Ferner ist aus Untersuchungen bekannt, dass bei Mn-B-Vergütungsstählen für komplexe crashrelevante Strukturbauteile in Fahrzeugkarosserien unter ungünstigen Bedingungen, z.B. bei erhöhtem Wasserstoffeintrag und bei Vorliegen erhöhter Zugspannungen, während der Fertigung oder der weiteren Verarbeitung dieser Stähle potentiell das Risiko einer Wasserstoffversprödung bzw. die Gefahr des Auftretens einer wasserstoffinduzierten verzögerten Rissbildung besteht. Der Wasserstoffeintrag wird durch die höhere Aufnahmefähigkeit des Stahlsubstrats im austenitischen Gefügezustand während der Glühbehandlung begünstigt.Furthermore, it is known from studies that with Mn-B quenched and tempered steels for complex crash-relevant structural components in vehicle bodies under unfavorable conditions, e.g. with increased hydrogen input and with the presence of increased tensile stresses, during the production or further processing of these steels there is a potential risk of hydrogen embrittlement or the There is a risk of hydrogen-induced delayed crack formation. The introduction of hydrogen is favored by the higher absorption capacity of the steel substrate in the austenitic structure state during the annealing treatment.
Im Stand der Technik existieren verschiedene Vorschläge, die darauf abzielen, die Wasserstoffaufnahme von manganhaltigen Stählen während des temperierten Zustandes zu reduzieren bzw. auch solche Stähle mit einem metallischen Überzug zu versehen, der den Stahl vor korrosivem Angriff schützt. Dabei werden aktive und passive Korrosionsschutzsysteme unterschieden.In the prior art, there are various proposals which aim to reduce the hydrogen uptake of manganese-containing steels during the tempered state or to provide such steels with a metallic coating that protects the steel from corrosive attack. A distinction is made between active and passive corrosion protection systems.
Aktive Korrosionsschutzsysteme werden üblicherweise durch kontinuierliches Aufbringen eines zinkhaltigen Korrosionsschutzüberzuges hergestellt. Passive Korrosionsschutzsysteme werden dagegen typischerweise durch Aufbringen eines aluminiumhaltigen Überzuges, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Beschichtung (AISi), die eine gute Barrierewirkung bezüglich korrosiver Angriffe bietet, hergestellt.Active corrosion protection systems are usually produced by continuously applying a zinc-containing corrosion protection coating. Passive corrosion protection systems, on the other hand, are typically produced by applying an aluminum-containing coating, in particular an aluminum-silicon coating (AISi), which offers a good barrier effect with regard to corrosive attacks.
Bei bisherigen aluminiumhaltigen Korrosionsschutzüberzügen, gibt es mehrere negative Aspekte. So ist der Energieverbrauch einer Feuerbeschichtungsanlage zur Herstellung von AlSi-Beschichtungen aufgrund der hohen Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials relativ groß. Darüber hinaus können diese Beschichtungen auf Mangan-Bor-Stählen nur im gewissen Umfang kalt umgeformt werden. Aufgrund einer harten intermetallischen Fe-Al-Si-Phase kommt es beim Kaltumformprozess zu Abplatzungen der Beschichtung. Hierdurch werden Umformgrade eingeschränkt. Die AISi-Beschichtungen erfordern daher regelmäßig eine direkte Warmumformung. In Kombination mit einer kathodischen Tauchlackierung, die eine gute Haftung der Lackschicht auf der Oberfläche der AISi-Beschichtung ermöglicht, lässt sich eine gute Barrierewirkung bezüglich korrosiver Angriffe erzielen. Des Weiteren ist bei dieser Beschichtungsvariante der Wasserstoffeintrag in den Stahlwerkstoff zu berücksichtigen, der bei ungünstigen Prozessbedingungen die Nutzung einer Taupunktregelung am Durchlaufofen für den Presshärteprozess erforderlich machen kann. Der mit der Taupunktregelung verbundene Energieverbrauch verursacht zusätzliche Kosten in der Bauteilherstellung.With previous aluminum-containing anti-corrosion coatings, there are several negative aspects. The energy consumption of a hot-dip coating system for the production of AlSi coatings is relatively high due to the high melting temperature of the coating material. In addition, these coatings on manganese-boron steels can only be cold formed to a certain extent. Due to a hard intermetallic Fe-Al-Si phase, the coating flakes off during the cold forming process. This limits the degree of deformation. The AISi coatings therefore regularly require direct hot forming. In combination with cathodic dip painting, which enables the paint layer to adhere well to the surface of the AISi coating, a good barrier effect with regard to corrosive attacks can be achieved. Furthermore, with this coating variant, the entry of hydrogen into the steel material must be taken into account, which in the case of unfavorable process conditions, the use of a May make dew point control on the continuous furnace necessary for the press hardening process. The energy consumption associated with dew point control causes additional costs in component manufacture.
Der alternative Einsatz von zinkhaltigen Korrosionsschutzüberzügen hat jedoch den Nachteil, dass Zink mit ca. 419 °C einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Während der Warmumformung dringt dann der flüssige, zinkhaltige Überzug in den Grundwerkstoff ein und führt dort zu einer starken Rissbildung (sogenannte Flüssigmetallversprödung).The alternative use of zinc-containing anti-corrosion coatings, however, has the disadvantage that zinc has a relatively low melting point of approx. 419 ° C. During hot forming, the liquid, zinc-containing coating then penetrates the base material and leads to severe cracking (so-called liquid metal embrittlement).
Zinkhaltige Korrosionsschutzüberzuge für die Warmumformung sind beispielsweise aus der
Davon ausgehend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen konkreten Korrosionsschutzüberzug bereitzustellen, der für die Warmumformung geeignet ist, das warmumgeformte Stahlbauteil ausreichend vor Korrosion schützt und eine gute Verarbeitung des Stahlbauteils ermöglicht.Proceeding from this, the invention was based on the object of providing a specific anti-corrosion coating that is suitable for hot forming, adequately protects the hot-formed steel component from corrosion and enables good processing of the steel component.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Stahlflachprodukt zur Herstellung eines Stahlbauteils umfassend ein Stahlsubstrat mit einem mindestens auf einer Seite des Stahlsubstrats vorhandenen Korrosionsschutzüberzug. Dabei ist das Gefüge des Stahlsubstrats durch ein Warmumformen in ein martensitisches Gefüge umwandelbar. Zudem umfasst der Korrosionsschutzüberzug ein Schichtsystem, wobei das Schichtsystem zwischen 25 Gew.-% und 40 Gew.-% Kupfer, maximal 5 Gew.-% sonstiger Beilegierungen, Rest Zink und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst. Die sonstigen Beilegierungen können beispielsweise durch Eisen gebildet werden.This object is achieved by a flat steel product for producing a steel component comprising a steel substrate with an anti-corrosion coating present on at least one side of the steel substrate. The structure of the steel substrate can be converted into a martensitic structure by hot forming. In addition, the anti-corrosion coating comprises a layer system, the layer system comprising between 25% by weight and 40% by weight of copper, a maximum of 5% by weight of other additional alloys, the remainder being zinc and unavoidable impurities. The other additional alloys can be formed by iron, for example.
Bei einer weitergebildeten Variante umfasst das Schichtsystem mindestens 26 Gew.-%, bevorzugt mindestens 27 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 29 Gew.-% Kupfer. Unabhängig davon umfasst das Schichtsystem bevorzugt maximal 35 Gew.-% Kupfer, besonders bevorzugt maximal 34 Gew.-% Kupfer.In a further developed variant, the layer system comprises at least 26% by weight, preferably at least 27% by weight, particularly preferably at least 29% by weight copper. Regardless of this, the layer system preferably comprises a maximum of 35% by weight copper, particularly preferably a maximum of 34% by weight copper.
Insbesondere besteht das Schichtsystem neben den genannten Kupfergehalten lediglich aus Zink, Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen oder lediglich aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen. Im ersten Fall bildet also Eisen die sonstigen Beilegierungen und im zweiten Fall treten keine sonstigen Beilegierungen auf. Dabei ist im Sinne dieser Anmeldung ein Element eine unvermeidbare Verunreinigung des Schichtsystems, wenn der Massenanteil im Schichtsystem kleiner ist als 1.0 Gew.-%. Diese Definition bezieht sich lediglich auf unvermeidbare Verunreinigungen des Schichtsystems. Für die später genannten unvermeidbaren Verunreinigungen im Stahlsubstrat gelten die fachüblichen Grenzwerte.In particular, in addition to the copper contents mentioned, the layer system consists only of zinc, iron and unavoidable impurities or only of zinc and unavoidable impurities. In the first case iron forms the other additional alloys and in the second case no other additional alloys occur. For the purposes of this application, an element is an unavoidable contamination of the layer system if the mass fraction in the layer system is less than 1.0% by weight. This definition only relates to unavoidable contamination of the layer system. For the unavoidable impurities in the steel substrate mentioned later, the customary limit values apply.
Ein Kupfergehalt von mindestens 25 Gew.-% hat mehrere Vorteile. Zum einen ist der Schmelzpunkt ausreichend hoch, so dass der Anteil von flüssigen Phasen während der Warmumformung reduziert wird. Damit kann sowohl die beschriebene Flüssigmetallversprödung vermindert werden als auch eine Schichtanhaftung der verflüssigten Schicht an Werkzeugen reduziert werden. Zum anderen haben Messungen ergeben, dass ab einem Kupferanteil von 25 Gew.-%die maximale Risslänge bei der Umformung reduziert ist. Die maximale Risslänge wurde dabei lichtmikroskopisch an einem metallographischen Querschliff ermittelt, wobei das Material hierzu aus den risskritischen Bereichen eines exemplarischen Bauteils (Omega-Profil) entnommen wurde. Gewertet wurde jeweils die Risslänge innerhalb des Stahlsubstrats, also ohne Berücksichtigung der Rissanteile innerhalb der Beschichtung.A copper content of at least 25% by weight has several advantages. On the one hand, the melting point is sufficiently high that the proportion of liquid phases is reduced during hot forming. This can both reduce the liquid metal embrittlement described and also reduce the adhesion of the liquefied layer to tools. On the other hand, measurements have shown that from a copper content of 25% by weight, the maximum crack length is reduced during forming. The maximum crack length was determined using a light microscope on a metallographic cross-section, the material for this being taken from the crack-critical areas of an exemplary component (omega profile). In each case, the crack length within the steel substrate was evaluated, i.e. without taking into account the crack proportions within the coating.
Mit steigendem Kupfergehalt ergibt sich zudem ein weiterer Vorteil. Untersuchungen haben ergeben, dass die Weiterverarbeitung mittels Widerstandsschweißen erleichtert wird. Während bei einem Kupfergehalt von 25 Gew.-% zwar Widerstandsschweißen möglich ist, ist das Prozessfenster mit einem Schweißbereich gemäß EN ISO 14327:2004 jedoch mit 0,2kA relativ klein. Dagegen beträgt der Schweißbereich bei einem Kupfergehalt von 30 Gew.-% bereits 0,6kA, was ein gutes Prozessfenster darstellt. Geringe Erhöhungen des Kupferanteils in diesem Bereich haben somit eine signifikante Verbesserung der Schweißbarkeit zur Folge.There is also another advantage with increasing copper content. Studies have shown that further processing is facilitated by means of resistance welding. While resistance welding is possible with a copper content of 25% by weight, the process window with a welding area according to EN ISO 14327: 2004 is relatively small at 0.2 kA. In contrast, with a copper content of 30% by weight, the welding area is already 0.6kA, which is a good process window. Slight increases in the copper content in this area thus result in a significant improvement in weldability.
Ein zu hoher Kupferanteil hat allerdings Auswirkungen auf den aktiven Korrosionsschutz, da das Schichtsystem durch die Beilegierung von Kupfer immer edler wird. Daher beträgt der Kupferanteil maximal 40 Gew.-%, bevorzugt maximal 35 Gew.-% Kupfer, besonders bevorzugt maximal 34 Gew.-% Kupfer.However, too high a copper content has an impact on the active corrosion protection, as the layer system becomes more and more noble due to the addition of copper. The copper content is therefore a maximum of 40% by weight, preferably a maximum of 35% by weight copper, particularly preferably a maximum of 34% by weight copper.
Bei dem Stahlsubstrat handelt es sich typischerweise um einen Stahl, insbesondere um einen Mangan-Bor-Stahl, dessen Gefüge durch ein Warmumformen in ein martensitisches Gefüge umwandelbar ist.The steel substrate is typically a steel, in particular a manganese-boron steel, the structure of which can be converted into a martensitic structure by hot forming.
Besonders bevorzugt ist das Stahlsubstrat ein Stahl aus der Gruppe der Stähle A-E, deren chemische Analyse in Tabelle 5 angegeben ist. Dabei ist die Tabelle 5 so zu verstehen, dass für jeden Stahl aus der Gruppe der Stähle A-E die Elementanteile in Gewichtsprozent angegeben sind. The steel substrate is particularly preferably a steel from the group of steels AE, the chemical analysis of which is given in Table 5. Table 5 is to be understood in such a way that the element proportions are given in percent by weight for each steel from the group of steels AE.
Hierbei ist ein minimaler und ein maximaler Gewichtsanteil angegeben. Beispielsweise umfasst der Stahl A also einen Kohlenstoffanteil C: 0.05 Gew.% - 0.10 Gew.%. Wenn die Untergrenze 0 beträgt, ist das Element als optional zu verstehen. Kein Eintrag in der Tabelle bedeutet, dass es keine Beschränkung für das Element gibt. Für die Elemente Chrom und Molybdän ist bei den Stählen C-E lediglich eine Obergrenze für die Summe der Elementgehalte von Chrom und Molybdän vorgesehen. Neben den in der Tabelle aufgeführten Elementen können die Stähle A-E weitere optionale Elemente enthalten, z.B. Cu, N, Ni, V, Sn, Ca. Der Rest besteht jeweils aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen.A minimum and a maximum weight fraction is specified here. For example, steel A thus has a carbon content C: 0.05% by weight - 0.10% by weight. If the lower limit is 0, the element is to be understood as optional. No entry in the table means that there is no limit for the element. For the elements chromium and molybdenum in steels C-E there is only an upper limit for the sum of the element contents of chromium and molybdenum. In addition to the elements listed in the table, steels A-E can contain other optional elements, e.g. Cu, N, Ni, V, Sn, Ca.The remainder consists of iron and unavoidable impurities.
Die vorstehenden Erläuterungen zu bevorzugten Stahlsubstraten gelten selbstverständlich ebenso für das Stahlsubstrat des, im nachfolgenden beschriebene Stahlbauteils, sowie die beiden beschriebenen Verfahren.The above explanations on preferred steel substrates naturally also apply to the steel substrate of the steel component described below, as well as the two methods described.
Bei einer speziellen Ausgestaltung besteht das Schichtsystem aus genau einer Legierungsschicht mit einer Zink-Kupfer-Legierung. Dies hat den Vorteil, dass das Schichtsystem mit einem einzigen Beschichtungsschritt aufgebracht werden kann. Als Beschichtungsverfahren kommt dann insbesondere ein PVD-Verfahren zum Einsatz, da eine elektrolytische Abscheidung einer ZnCu-Legierung auf effiziente und wirtschaftliche Art und Weise, wenn überhaupt nur aus einem cyanidischen Elektrolyten erfolgen kann. Dieser ist jedoch aufgrund seiner Gefahren für die menschliche Gesundheit und die Umwelt großtechnisch nur mit erheblichem Zusatzaufwand einsetzbar.In a special configuration, the layer system consists of exactly one alloy layer with a zinc-copper alloy. This has the advantage that the layer system can be applied in a single coating step. A PVD process is then used in particular as the coating process, since an electrolytic deposition of a ZnCu alloy can be carried out efficiently and economically, if at all only from a cyanide electrolyte. However, due to its dangers to human health and the environment, this can only be used on an industrial scale with considerable additional effort.
Bei einer alternativen speziellen Ausgestaltung umfasst das Schichtsystem mindestens zwei alternierenden Schichten aus Kupfer und Zink, wobei zwischen benachbarten Schichten aus Kupfer und Zink jeweils eine Zwischenschicht angeordnet ist, die aus einer Zink-Kupfer-Legierung besteht. Dabei wird insbesondere die Zinkschicht im elektrolytischen Verfahren oder aber durch Schmelztauchbeschichtung aufgebracht, was aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes energieeffizient zu realisieren ist, und die Kupferschicht durch elektrolytische Beschichtung. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Kupfer und Zink bereits bei Raumtemperatur sehr stark ineinander diffundieren, so dass sich zwischen benachbarten Schichten aus Kupfer und Zink jeweils eine Zwischenschicht ausbildet, die aus einer Zink-Kupfer-Legierung besteht. Daher ist das separate Aufbringen von Kupfer und Zink ein sehr praktikabler Weg, um eine Schicht mit einer Zink-Kupfer-Legierung aufzubringen. Wie bereits erläutert, ist das simultane Aufbringen einer Zink-Kupfer-Legierung zwar möglich, aber mit technischen Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere sind nicht alle Beschichtungsverfahren für eine Zink-Kupfer-Legierung geeignet. Zudem hat sich gezeigt, dass durch das separate Beschichten mit Kupfer und Zink auf einfache Weise spezielle Schichtanordnungen der Kupferschicht gleichzeitig mit realisiert werden können, die bestimmte Vorteile mit sich bringen.In an alternative special embodiment, the layer system comprises at least two alternating layers of copper and zinc, an intermediate layer consisting of a zinc-copper alloy being arranged between adjacent layers of copper and zinc. In particular, the zinc layer is applied in the electrolytic process or by hot-dip coating, which can be achieved in an energy-efficient manner due to the low melting point, and the copper layer by electrolytic coating. Surprisingly, it has been shown that copper and zinc diffuse into one another very strongly even at room temperature, so that an intermediate layer consisting of a zinc-copper alloy is formed between adjacent layers of copper and zinc. Therefore, applying copper and zinc separately is a very practical way of applying a layer of zinc-copper alloy. As already explained, the simultaneous application of a zinc-copper alloy is possible, but associated with technical difficulties. In particular, not all coating processes are suitable for a zinc-copper alloy. In addition, it has been shown that by means of the separate coating with copper and zinc, special layer arrangements of the copper layer can be realized in a simple manner at the same time, which have certain advantages.
So weist das Schichtsystem des Stahlflachproduktes insbesondere eine substratnächste Schicht auf, wobei die substratnächste Schicht eine Kupferschicht ist. Diese Anordnung lässt sich erreichen, indem auf das Stahlsubstrat als erstes eine Kupferschicht aufgebracht wird und anschließend eine Zinkschicht. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass während der Warmumformung das dann flüssige Zink nicht so stark in den Grundwerkstoff eindringen und zu Rissbildung beitragen kann, da sich zwischen dem flüssigen Zink und dem Stahlsubstrat eine Kupferschicht mit einem höheren Schmelzpunkt befindet, die als Barriere fungiert. Somit reduziert diese Anordnung die Flüssigmetallversprödung und damit die Rissbildung.Thus, the layer system of the flat steel product has in particular a layer closest to the substrate, the layer closest to the substrate being a copper layer. This arrangement can be achieved by first applying a copper layer to the steel substrate and then applying a zinc layer. The advantage of this arrangement is that during hot forming, the liquid zinc cannot penetrate the base material as much and contribute to crack formation, as there is a copper layer with a higher melting point that acts as a barrier between the liquid zinc and the steel substrate. This arrangement thus reduces the liquid metal embrittlement and thus the formation of cracks.
Bei einer anderen Variante weist das Schichtsystem eine oberflächennächste Schicht auf, wobei die oberflächennächste Schicht eine Kupferschicht ist. Diese Anordnung lässt sich erreichen, indem beim Aufbringen des Schichtsystems auf das Stahlsubstrat als letztes eine Kupferschicht aufgebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass selbst nach der Warmumformung aufgrund dieser Anordnung ein oberflächennaher Bereich mit einem erhöhten Kupfergehalt verbleibt. Das Schichtsystem wird also bei der Warmumformung zu einem Stahlbauteil nicht vollständig homogenisiert. Dieser oberflächennahe Bereich mit einem erhöhten Kupfergehalt hat eine bessere elektrische Leitfähigkeit (aufgrund einer modifizierten Oxidbildung), so dass sich das Stahlbauteil besser zum Widerstandsschweißen eignet.In another variant, the layer system has a layer closest to the surface, the layer closest to the surface being a copper layer. This arrangement can be achieved in that when the layer system is applied to the steel substrate, a copper layer is applied last. It has been shown that even after hot forming, due to this arrangement, an area close to the surface with an increased copper content remains. The layer system is therefore not completely homogenized during hot forming into a steel component. This near-surface area with an increased copper content has better electrical conductivity (due to modified oxide formation), so that the steel component is better suited for resistance welding.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Stahlbauteil, insbesondere hergestellt durch ein vorbeschriebenes Stahlflachprodukt. Dabei umfasst das Stahlbauteil ein Stahlsubstrat mit einem martensitischen Gefüge und mit einem mindestens auf einer Seite des Stahlsubstrats vorhandenen Korrosionsschutzüberzug. Hierbei umfasst der Korrosionsschutzüberzug ein Schichtsystem und eine angrenzende Oxidschicht. Zudem liegt der Massenanteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink in Schichtsystem und Oxidschicht zwischen 25 und 40%.The object according to the invention is also achieved by a steel component, in particular manufactured by a flat steel product described above. In this case, the steel component comprises a steel substrate with a martensitic structure and with an anti-corrosion coating that is present on at least one side of the steel substrate. Here, the anti-corrosion coating comprises a layer system and an adjacent one Oxide layer. In addition, the mass fraction of copper in relation to the total mass of copper and zinc in the layer system and oxide layer is between 25 and 40%.
Da bei der Warmumformung signifikante Anteile von Eisen aus dem Stahlsubstrat in den Korrosionsschutzüberzug diffundieren, ist es bei der Beschreibung des warmumgeformten Stahlbauteils zweckmäßiger, den Elementgehalte von Kupfer auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink zu beziehen und nicht auf die Gesamtmasse aller Elemente. Der Elementgehalt von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink nach der Warmumformung entspricht dabei im Wesentlichen dem Anteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse vor der Warmumformung, da die Gesamtmasse vor der Warmumformung im Wesentlichen durch Kupfer und Zink gebildet wird.Since significant proportions of iron diffuse from the steel substrate into the corrosion protection coating during hot forming, when describing the hot-formed steel component, it is more practical to relate the element content of copper to the total mass of copper and zinc and not to the total mass of all elements. The element content of copper in relation to the total mass of copper and zinc after hot forming essentially corresponds to the proportion of copper in relation to the total mass before hot forming, since the total mass before hot forming is essentially made up of copper and zinc.
Bei einer weitergebildeten Variante beträgt der Massenanteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink in Schichtsystem und Oxidschicht mindestens 26 %, bevorzugt mindestens 27 %, besonders bevorzugt mindestens 29 %. Unabhängig davon beträgt der Massenanteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink in Schichtsystem und Oxidschicht bevorzugt maximal 35 %, besonders bevorzugt maximal 34 %. Die Vorteile dieser Werte sind vorstehend mit Bezug auf das Stahlflachprodukt erläutert.In a further developed variant, the mass fraction of copper based on the total mass of copper and zinc in the layer system and oxide layer is at least 26%, preferably at least 27%, particularly preferably at least 29%. Regardless of this, the mass fraction of copper based on the total mass of copper and zinc in the layer system and oxide layer is preferably a maximum of 35%, particularly preferably a maximum of 34%. The advantages of these values are explained above with reference to the flat steel product.
Bei einer speziellen Weiterbildung ist der Massenanteil von Kupfer in der Oxidschicht kleiner als 5 Gew.-%. Es hat sich gezeigt, dass die passivierende Oxidschicht trotz eines oberflächennahen hohen Kupferanteils im Wesentlichen durch Zinkoxide gebildet wird.In a special development, the mass fraction of copper in the oxide layer is less than 5% by weight. It has been shown that the passivating oxide layer is essentially formed by zinc oxides despite a high copper content close to the surface.
Bei einer speziellen Weiterbildung des Stahlbauteils weist der Massenanteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink im Schichtsystem im oberflächennahen Bereich des Schichtsystems ein lokales Maximum auf. Als oberflächennaher Bereich wird dabei der an die Oxidschicht angrenzende Bereich des Schichtsystems mit einer Dicke von 300nm verstanden. Diese Anordnung lässt sich durch die vorbeschriebene alternierende Beschichtung mit Kupfer und Zink erreichen, wobei beim Aufbringen des Schichtsystems auf das Stahlsubstrat als letztes eine Kupferschicht aufgebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass selbst nach der Warmumformung aufgrund dieser Anordnung ein oberflächennaher Bereich mit einem erhöhten Kupfergehalt verbleibt. Das Schichtsystem wird also bei der Warmumformung zu einem Stahlbauteil nicht vollständig homogenisiert. Dieser oberflächennahe Bereich mit einem erhöhten Kupfergehalt hat eine bessere elektrische Leitfähigkeit, so dass sich das Stahlbauteil besser zum Widerstandsschweißen eignet.In a special development of the steel component, the mass fraction of copper in relation to the total mass of copper and zinc in the layer system has a local maximum in the area of the layer system close to the surface. The area of the layer system adjoining the oxide layer and having a thickness of 300 nm is understood as the area close to the surface. This arrangement can be achieved by the above-described alternating coating with copper and zinc, with a copper layer being applied last when the layer system is applied to the steel substrate. It has been shown that even after hot forming, due to this arrangement, an area close to the surface with an increased copper content remains. The layer system is therefore not completely homogenized during hot forming into a steel component. This near-surface area with an increased copper content has better electrical conductivity, so that the steel component is better suited for resistance welding.
Bei einer weiteren Variante des Stahlbauteils weist der Massenanteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink im Schichtsystem im substratnahen Bereich des Schichtsystems ein lokales Maximum auf. Als substratnaher Bereich wird dabei der an das Substrat angrenzende Bereich des Schichtsystems mit einer Dicke von 300nm verstanden. Diese Anordnung lässt sich durch die vorbeschriebene alternierende Beschichtung mit Kupfer und Zink erreichen, wobei beim Aufbringen des Schichtsystems auf das Stahlsubstrat als erstes eine Kupferschicht aufgebracht wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass während der Warmumformung das dann flüssige Zink nicht so stark in den Grundwerkstoff eindringen und zu Rissbildung beitragen kann, da sich zwischen dem flüssigen Zink und dem Stahlsubstrat eine Kupferschicht mit einem höheren Schmelzpunkt befindet, die als Barriere fungiert. Somit reduziert diese Anordnung die Flüssigmetallversprödung und damit die Rissbildung.In a further variant of the steel component, the mass fraction of copper in relation to the total mass of copper and zinc in the layer system has a local maximum in the region of the layer system close to the substrate. The region of the layer system adjoining the substrate and having a thickness of 300 nm is understood as the region close to the substrate. This arrangement can be achieved by the above-described alternating coating with copper and zinc, with a copper layer being applied first when the layer system is applied to the steel substrate. The advantage of this arrangement is that during hot forming, the liquid zinc cannot penetrate the base material as much and contribute to crack formation, as there is a copper layer with a higher melting point that acts as a barrier between the liquid zinc and the steel substrate. This arrangement thus reduces the liquid metal embrittlement and thus the formation of cracks.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Herstellen eines zuvor beschriebenen Stahlflachprodukts gelöst. Dabei umfasst das Verfahren mindestens die folgenden Schritte:
- - Herstellen oder Bereitstellen eines Stahlsubstrats, wobei das Gefüge des Stahlsubstrats durch ein Warmumformen in ein martensitisches Gefüge umwandelbar ist,
- - Applizieren eines Schichtsystems zur Bildung eines Korrosionsschutzüberzugs, wobei das Schichtsystem zwischen 25 und 40 Gew.-% Kupfer, maximal 5 Gew.-% sonstiger Beilegierungen, Rest Zink und unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
- - Production or provision of a steel substrate, the structure of the steel substrate being convertible into a martensitic structure by hot forming,
- - Application of a layer system to form a corrosion protection coating, the layer system comprising between 25 and 40% by weight of copper, a maximum of 5% by weight of other additional alloys, the remainder being zinc and unavoidable impurities.
Dabei hat das Verfahren die gleichen Vorteile, die vorstehend in Bezug auf das Stahlflachprodukt erläutert wurden. Ebenso gelten für die Elementgehalte des Korrosionsschutzüberzugs die gleichen bevorzugten Zahlenwerte und Intervalle, die vorstehend mit Bezug auf das Stahlflachprodukt erläutert wurden.The method has the same advantages that were explained above with regard to the flat steel product. The same preferred numerical values and intervals that have been explained above with reference to the flat steel product also apply to the element contents of the corrosion protection coating.
Insbesondere ist das Verfahren derart weitergebildet, dass das Applizieren eines Schichtsystems zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- - Alternierendes Abscheiden von mindestens zwei aneinander angrenzenden Kupfer- und Zinkschichten, so dass sich durch Diffusion zwischen den aneinander angrenzenden Kupfer- und Zinkschichten jeweils eine Zwischenschicht ausbildet, die aus einer Zink-Kupfer-Legierung besteht.
- - Alternating deposition of at least two adjoining copper and zinc layers, so that an intermediate layer consisting of a zinc-copper alloy is formed between the adjoining copper and zinc layers by diffusion.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Kupfer und Zink bereits bei Raumtemperatur sehr stark ineinander diffundieren, so dass sich zwischen benachbarten Schichten aus Kupfer und Zink jeweils eine Zwischenschicht ausbildet, die aus einer Zink-Kupfer-Legierung besteht. Daher ist das separate Aufbringen von Kupfer und Zink ein sehr praktikabler Weg, um eine Schicht mit einer Zink-Kupfer-Legierung aufzubringen. Wie bereits erläutert, ist das simultane Aufbringen einer Zink-Kupfer-Legierung zwar möglich, aber mit technischen Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere sind nicht alle Beschichtungsverfahren für eine Zink-Kupfer-Legierung geeignet. Zudem hat sich gezeigt, dass durch das separate Beschichten mit Kupfer und Zink auf einfache Weise spezielle Schichtanordnungen der Kupferschicht gleichzeitig mit realisiert werden können, die bestimmte Vorteile mit sich bringen.Surprisingly, it has been shown that copper and zinc diffuse into one another very strongly even at room temperature, so that an intermediate layer consisting of a zinc-copper alloy is formed between adjacent layers of copper and zinc. Therefore, applying copper and zinc separately is a very practical way of applying a layer of zinc-copper alloy. As already explained, the simultaneous application of a zinc-copper alloy is possible, but associated with technical difficulties. In particular, not all coating processes are suitable for a zinc-copper alloy. In addition, it has been shown that by means of the separate coating with copper and zinc, special layer arrangements of the copper layer can be realized in a simple manner at the same time, which have certain advantages.
Bevorzugt wird beim Applizieren des Schichtsystems eine Kupferschicht als erste Schicht abgeschieden, so dass das sich ergebende Schichtsystem eine substratnächste Schicht aufweist, wobei die substratnächste Schicht eine Kupferschicht ist. Die Vorteile einer solchen substratnächsten Kupferschicht sind vorstehend mit Bezug auf das Stahlflachprodukt und das Stahlbauteil erläutert.When applying the layer system, a copper layer is preferably deposited as the first layer, so that the resulting layer system has a layer next to the substrate, the layer next to the substrate being a copper layer. The advantages of such a copper layer closest to the substrate are explained above with reference to the flat steel product and the steel component.
Bei einer weiteren Variante wird beim Applizieren des Schichtsystems eine Kupferschicht als letzte Schicht abgeschieden, so dass das sich ergebende Schichtsystem eine oberflächennächste Schicht aufweist, wobei die oberflächennächste Schicht eine Kupferschicht ist. Der Vorteil einer solchen oberflächennächsten Kupferschicht sind vorstehend mit Bezug auf das Stahlflachprodukt und das Stahlbauteil erläutert.In a further variant, when the layer system is applied, a copper layer is deposited as the last layer, so that the resulting layer system has a layer closest to the surface, the layer closest to the surface being a copper layer. The advantage of such a copper layer closest to the surface is explained above with reference to the flat steel product and the steel component.
Alternativ ist das Verfahren derart weitergebildet, dass das Applizieren eines Schichtsystems mindestens die folgenden Schritte umfasst:
- - Gleichzeitiges Abscheiden von Kupfer und Zink, bevorzugt mittels PVD, zur Bildung genau einer Legierungsschicht mit einer Kupfer-Zink-Legierung.
- - Simultaneous deposition of copper and zinc, preferably by means of PVD, to form exactly one alloy layer with a copper-zinc alloy.
Insbesondere ist das Herstellungsverfahren derart weitergebildet, dass beim Applizieren des Schichtsystems mindestens ein Beschichtungsverfahren zum Einsatz kommt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus elektrolytische Abscheidung, Physical Vapour Deposition (PVD), Schmelztauchverfahren, sonstige Tauchverfahren, Chemical Vapour Deposition, Slurry-Verfahren, thermisches Spritzen, Walzplattieren und Kombinationen davon.In particular, the manufacturing process is developed in such a way that at least one coating process is used when applying the layer system, which is selected from the group consisting of electrolytic deposition, physical vapor deposition (PVD), hot-dip process, other immersion processes, chemical vapor deposition, slurry process, thermal spraying, roll cladding, and combinations thereof.
Bei der Variante, bei der direkt eine Zink-Kupfer-Legierung als genau eine Legierungsschicht aufgebracht wird, kommt bevorzugt ein PVD-Verfahren zum Einsatz, da eine elektrolytische Abscheidung einer ZnCu-Legierung auf effiziente und wirtschaftliche Art und Weise, wenn überhaupt nur aus einem cyanidischen Elektrolyten erfolgen kann. Dieser ist jedoch aufgrund seiner Gefahren für die menschliche Gesundheit und die Umwelt großtechnisch nur mit erheblichem Zusatzaufwand einsetzbar. Eine Schmelztauchbeschichtung bietet sich aufgrund des höheren Schmelzpunktes ebenfalls nicht an.In the variant in which a zinc-copper alloy is applied directly as exactly one alloy layer, a PVD process is preferably used, since an electrolytic deposition of a ZnCu alloy is efficient and economical, if only from one cyanide electrolytes can be done. However, due to its dangers to human health and the environment, this can only be used on an industrial scale with considerable additional effort. A hot dip coating is also not advisable due to the higher melting point.
Beim separaten Aufbringen von Kupferschichten und Zinkschichten werden die Zinkschichten bevorzugt im elektrolytischen Verfahren oder aber durch Schmelztauchbeschichtung aufgebracht, was aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes energieeffizient zu realisieren ist. Dagegen werden die Kupferschichten bevorzugt durch elektrolytische Beschichtung aufgebracht.When copper layers and zinc layers are applied separately, the zinc layers are preferably applied in an electrolytic process or by hot dip coating, which can be achieved in an energy-efficient manner due to the low melting point. In contrast, the copper layers are preferably applied by electrolytic coating.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines vorgenannten Stahlbauteils. Dabei umfasst das Verfahren zum Herstellen eines Stahlbauteils zumindest die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen oder Herstellen eines zuvor erläuterten Stahlflachproduktes oder Herstellen eines Stahlflachprodukts durch Anwendung eines zuvor erläuterten Verfahrens;
- - Erwärmen des Stahlflachprodukts auf eine Erwärmungstemperatur für das Warmumformen, wobei die Erwärmung unter Umgebungsatmosphäre, unter H2O-reduzierter Atmosphäre oder unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgt;
- - Warmumformen des bereitgestellten oder hergestellten Stahlflachprodukts, so dass das Stahlbauteil resultiert.
- - Provision or manufacture of a previously explained flat steel product or manufacture of a flat steel product by using a previously explained method;
- - Heating the flat steel product to a heating temperature for the hot forming, the heating taking place under an ambient atmosphere, under a H2O-reduced atmosphere or under a protective gas atmosphere;
- - Hot forming of the provided or manufactured flat steel product, so that the steel component results.
Erwärmen des Stahlflachprodukts auf eine Erwärmungstemperatur für das Warmumformen bedeutet dabei insbesondere ein Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb von Ac3, so dass im Wesentlichen ein austenitisches Gefüge im Stahlsubstrat vorliegt. Das anschließende Warmumformen beinhaltet eine Verformung in einem Umformwerkzeug sowie ein schnelles Abkühlen des Stahlflachproduktes. Dies kann insbesondere gleichzeitig durchgeführt werden, indem die Abkühlung durch den Kontakt mit dem Umformwerkzeug erreicht wird.Heating the flat steel product to a heating temperature for hot forming means, in particular, heating to a temperature above Ac3, so that there is essentially an austenitic structure in the steel substrate. The subsequent hot forming includes deformation in a forming tool and rapid cooling of the flat steel product. This can in particular be carried out at the same time in that the cooling is achieved through contact with the forming tool.
Durch die Verwendung von H2O-reduzierter Atmosphäre oder Schutzgasatmosphäre beim Erwärmen wird der Oxidationsprozess beeinflusst, so dass sich die Dicke der Oxidschicht gezielt einstellen lässt.The oxidation process is influenced by the use of a H2O-reduced atmosphere or a protective gas atmosphere during heating, so that the thickness of the oxide layer can be adjusted in a targeted manner.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele.The invention is explained in more detail with reference to the following exemplary embodiments.
Dabei zeigt die
Als Stahlsubstrat wurde ein Stahlblech mit einer Dicke von 1,5mm aus einem 22MnB5-Stahl, der eine Zusammensetzung gemäß dem Stahl D der Tabelle 4 aufweist verwendet. Auf dieses Stahlsubstrat wurde ein Schichtsystem zur Bildung eines Korrosionsschutzüberzuges aufgebracht. Dabei wurde zunächst eine Kupferschicht als erste Schicht elektrolytisch abgeschieden. Damit ist die Kupferschicht die substratnächste Schicht des Schichtsystems. Anschließend wurde eine Zinkschicht elektrolytisch abgeschieden und darauf erneut eine Kupferschicht als letzte Schicht. Damit weist das Schichtsystem eine oberflächennächste Schicht auf, die eine Kupferschicht ist. Es wurden drei Varianten mit unterschiedlichen Schichtdicken hergestellt, so dass sich unterschiedliche Kupferanteile im Schichtsystem ergeben. In der folgenden Tabelle 1 sind die Schichtaufbauten der drei Varianten angegeben.
Tabelle 1: Details der beiden hergestellten Probenvarianten
Die Schichtsysteme umfassen also einen Kupfergehalt, der in der Tabelle angegeben ist, und bestehen ansonsten aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen.The layer systems therefore have a copper content that is specified in the table, and otherwise consist of zinc and unavoidable impurities.
In einem nachfolgenden Schritt wurden die beschichteten Stahlbleche auf eine Erwärmungstemperatur für das Warmumformen erhitzt, also auf eine Temperatur oberhalb von Ac3. In diesem konkreten Fall wurden die Proben bei 880°C für eine Glühdauer zwischen 30 Sekunden und 5 Minuten unter Umgebungsatmosphäre geglüht. Anschließend wurden die Proben unter Abschrecken zu Omega-Profilen umgeformt. Die Omega-Profile sind Beispiele für typische Stahlbauteile. Bei den erzeugten Omega-Profilen wurde abschließend die maximale Risslänge und die Vickers-Härte (gemäß
Im Ausgangszustand und bei Glühzeiten von 1 Minute und weniger besteht das Gefüge des Stahlsubstrates aus Ferrit, Zementit und körnigen Karbiden. Erst bei längeren Glühdauern kommt es zur Umwandlung zu Austenit während des Glühens und beim Abschrecken zur Bildung von Martensit. Deutlich ist erkennbar, dass erst ab einer Glühdauer von 2 Minuten die Härte im Substrat ansteigt. Ab 3 Minuten Glühdauer wird die maximal mögliche Härte im Bereich von 500 HV5 erreicht. Das Gefüge ist dann beim Glühen vollständig in Austenit umgewandelt und beim Abschrecken wird es fast vollständig in Martensit umgewandelt. Lediglich ein geringer Anteil von Restaustenit verbleibt. Gleichzeitig zeigt sich, dass bei den Varianten A und B vertretbare maximale Risslängen an den Omega-Profilen auftreten, während bei der Variante C, die einen Cu-Gehalt von 10% aufweist, die Risslängen deutlich größer sind.In the initial state and with annealing times of 1 minute and less, the structure of the steel substrate consists of ferrite, cementite and granular carbides. Only with longer annealing times does the transformation to austenite occur during annealing and martensite is formed during quenching. It can be clearly seen that the hardness in the substrate only increases after an annealing time of 2 minutes. The maximum possible hardness in the range of 500 HV5 is reached after 3 minutes of annealing. The structure is then completely converted into austenite during annealing and almost completely converted into martensite during quenching. Only a small proportion of retained austenite remains. At the same time, it can be seen that with variants A and B, acceptable maximum crack lengths occur on the omega profiles, while with variant C, which has a Cu content of 10%, the crack lengths are significantly longer.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde als Stahlsubstrat ebenfalls ein Stahlblech mit einer Dicke von 1,5mm aus einem 22MnB5-Stahl, der eine Zusammensetzung gemäß dem Stahl D der Tabelle 5 aufweist, verwendet. Auf dieses Stahlsubstrat wurde ein Schichtsystem zur Bildung eines Korrosionsschutzüberzuges aufgebracht. Dabei bestand das Schichtsystem aus genau einer Legierungsschicht mit einer Kupfer-Zink-Legierung (Variante D). Konkret wurden gleichzeitig Kupfer und Zink mittels PVD abgeschieden, so dass sich auf dem Substrat eine Kupfer-Zink-Legierung bildete. Vorliegend hatte die Legierungsschicht eine Dicke von 10µm und umfasste 34 Gew.-% Kupfer, Rest Zink und unvermeidbare Verunreinigungen. In einem nachfolgenden Schritt wurde das beschichtete Stahlbleche auf eine Erwärmungstemperatur für das Warmumformen erhitzt, also auf eine Temperatur oberhalb von Ac3. In diesem konkreten Fall wurden die Proben bei 880°C für eine Glühdauer von 5 Minuten unter Umgebungsatmosphäre geglüht. Anschließend wurde die Probe unter Abschrecken zu einem Omega-Profil umgeformt. Abschließend wurde die maximale Risslänge mit 13µm bestimmt.In a further exemplary embodiment, a steel sheet with a thickness of 1.5 mm made of a 22MnB5 steel, which has a composition according to steel D of Table 5, was used as the steel substrate. A layer system was applied to this steel substrate to form an anti-corrosion coating. The layer system consisted of exactly one alloy layer with a copper-zinc alloy (variant D). Specifically, copper and zinc were deposited simultaneously using PVD, so that a copper-zinc alloy was formed on the substrate. In the present case, the alloy layer had a thickness of 10 μm and comprised 34% by weight of copper, the remainder being zinc and unavoidable impurities. In a subsequent step, the coated steel sheet was heated to a heating temperature for hot forming, i.e. to a temperature above Ac3. In this specific case, the samples were annealed at 880 ° C. for an annealing period of 5 minutes under ambient atmosphere. The sample was then shaped into an omega profile with quenching. Finally, the maximum crack length was determined to be 13 µm.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde als Stahlsubstrat ebenfalls ein Stahlblech mit einer Dicke von 1,5mm aus einem 22MnB5-Stahl, der eine Zusammensetzung gemäß dem Stahl D der Tabelle 5 aufweist, verwendet. Auf dieses Stahlsubstrat wurde ein Schichtsystem zur Bildung eines Korrosionsschutzüberzuges aufgebracht. Dabei wurde zunächst eine Kupferschicht als erste Schicht elektrolytisch abgeschieden. Damit ist die Kupferschicht die substratnächste Schicht des Schichtsystems. Anschließend wurde eine Zinkschicht elektrolytisch abgeschieden und darauf erneut eine Kupferschicht. Auf diese mittlere Kupferschicht folgten eine weitere Zinkschicht und abschließend wieder eine Kupferschicht als letzte Schicht. Damit weist das Schichtsystem eine oberflächennächste Schicht auf, die eine Kupferschicht ist. Insgesamt bestand das Schichtsystem aus drei Kupferschichten und zwei Zinkschichten mit den folgenden Dicken:
Tabelle 3: Schichtaufbau einer weiteren Variante
Das Schichtsystem umfasst also einen Kupfergehalt, der in der Tabelle 3 angegeben ist, und besteht ansonsten aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen.The layer system therefore includes a copper content, which is given in Table 3, and otherwise consists of zinc and unavoidable impurities.
Auch in diesem Fall haben metallographische Untersuchungen bestätigt, dass sich umgehend zwischen benachbarten Schichten aus Kupfer und Zink jeweils eine Zwischenschicht aus einer Kuper-Zink-Legierung bildet.In this case, too, metallographic investigations have confirmed that an intermediate layer of a copper-zinc alloy is formed immediately between adjacent layers of copper and zinc.
In einem nachfolgenden Schritt wurde das beschichtete Stahlbleche auf eine Erwärmungstemperatur für das Warmumformen erhitzt, also auf eine Temperatur oberhalb von Ac3. In diesem konkreten Fall wurden die Proben bei 880°C für eine Glühdauer von 5 Minuten unter Umgebungsatmosphäre geglüht. Anschließend wurde die Probe unter Abschrecken zu einem Omega-Profil umgeformt. Abschließend wurde die maximale Risslänge mit 10µm bestimmt.In a subsequent step, the coated steel sheet was heated to a heating temperature for hot forming, i.e. to a temperature above Ac3. In this specific case, the samples were annealed at 880 ° C. for an annealing period of 5 minutes under ambient atmosphere. The sample was then shaped into an omega profile with quenching. Finally, the maximum crack length was determined to be 10 µm.
An den zuvor beschriebenen Omega-Profilen gemäß den Varianten A, B und D wurde zudem der Schweißbereich für Widerstandsschweißen gemäß EN ISO 14327:2004 ermittelt. Dabei ergab sich für die Variante A mit einem Kupfergehalt von 25 Gew.-% ein Schweißbereich von 0,2kA, für die Variante B mit einem Kupfergehalt von 30 Gew.-% ein Schweißbereich von 0,6kA und für die Variante D mit einem Kupfergehalt von 34 Gew.-% ein Schweißbereich von 0,7kA. Durch eine Erhöhung des Kupferanteils kommt es also zu einer Verbesserung der Schweißbarkeit, wodurch sich ein deutlich besseres Prozessfenster für die Weiterverarbeitung mittels Widerstandsschweißen ergibt. Während allerdings von Variante A zu Variante B der Schweißbereich deutlich steigt, ist die Verbesserung von Variante B zu Variante D nicht so stark, obwohl der Gesamtkupferanteil im Schichtsystem beinahe genauso stark steigt. Dies liegt daran, dass der Massenanteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink im Schichtsystem bei den Varianten A und B im oberflächennahen Bereich des Schichtsystems ein lokales Maximum aufweist. Dieses lokale Maximum ergibt sich durch die alternierende Beschichtung mit Kupfer und Zink, wobei als letztes eine Kupferschicht aufgebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass selbst nach der Warmumformung aufgrund dieser Anordnung ein oberflächennaher Bereich mit einem erhöhten Kupfergehalt verbleibt. Der oberflächennahe erhöhte Kupfergehalt führt zu zwei Effekte. Zum einen ist die Dicke der Oxidschicht umso geringer je höher der Kupfergehalt ist, da die Oxidschicht im Wesentlichen aus Zinkoxid gebildet wird. Bei einer geringeren Oxidschichtdicke reduziert sich auch die Wärmeentwicklung beim Widerstandspunktschweißen aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit. Das Auftreten von Spritzern beim Widerstandspunktschweißen wird eingedämmt und die Abnutzung der Schweißkappen aufgrund übermäßiger Wärmebildung wird vermieden. Zudem kommt es durch den hohen Schmelzpunkt der Zink-Kupfer-Legierung im oberflächennahen Bereich zu einer signifikant verringerten Elementdiffusion zwischen Beschichtungswerkstoff und Schweißkappen, wodurch der Verschleiß der Kappen zusätzlich merklich reduziert wird. Beide Effekte werden durch Kupfergehalt im oberflächennahen Bereich positiv beeinflusst, so dass die Varianten A und B aufgrund des lokale Maximums des Kupferanteils im oberflächennahen Bereich ein besseres Schweißverhalten zeigen als es aufgrund des mittleren Kupferanteils im Schichtsystem zu erwarten wäre.The welding area for resistance welding according to EN ISO 14327: 2004 was also determined on the previously described Omega profiles according to variants A, B and D. This resulted in a welding range of 0.2 kA for variant A with a copper content of 25% by weight, a welding range of 0.6 kA for variant B with a copper content of 30% by weight and for variant D with a copper content of 34% by weight, a welding range of 0.7 kA. Increasing the copper content therefore improves the weldability, which results in a significantly better process window for further processing by means of resistance welding. However, while the welding area increases significantly from variant A to variant B, the improvement from variant B to variant D is not so great, although the total copper content in the layer system increases almost as much. This is because the mass fraction of copper based on the total mass of copper and zinc in the layer system in variants A and B has a local maximum in the area of the layer system close to the surface. This local maximum results from the alternating coating with copper and zinc, with a copper layer being applied last. It has been shown that even after hot forming, due to this arrangement, an area close to the surface with an increased copper content remains. The increased copper content near the surface leads to two effects. On the one hand, the higher the copper content, the smaller the thickness of the oxide layer, since the oxide layer is essentially formed from zinc oxide. With a smaller oxide layer thickness, the heat development during resistance spot welding is also reduced due to the higher electrical conductivity. The occurrence of spatter during resistance spot welding is contained and wear of the welding caps due to excessive heat generation is avoided. In addition, the high melting point of the zinc-copper alloy in the area near the surface leads to a significantly reduced element diffusion between the coating material and the welding caps, which also significantly reduces wear on the caps. Both effects are positively influenced by the copper content in the near-surface area, so that variants A and B, due to the local maximum of the copper content in the near-surface area, show better welding behavior than would be expected based on the average copper content in the layer system.
Eine entsprechende Systematik beobachtet man ebenfalls bei der maximalen Risslänge der Varianten A, B und D. Prinzipiell würde man bei der Variante D die geringste maximale Risslänge erwarten, da sie den höchsten Kupfergehalt aufweist. Stattdessen ergeben sich bei den Varianten A und B mit 10µm und 11µm niedrigere Werte. Dies liegt daran, dass der Massenanteil von Kupfer bezogen auf die Gesamtmasse von Kupfer und Zink im Schichtsystem bei den Varianten A und B im substratnahen Bereich des Schichtsystems ein lokales Maximum aufweist. Dieses lokale Maximum ergibt sich durch die alternierende Beschichtung mit Kupfer und Zink, wobei als erstes eine Kupferschicht aufgebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass selbst nach der Warmumformung aufgrund dieser Anordnung ein substratnaher Bereich mit einem erhöhten Kupfergehalt verbleibt. Der substratnahe erhöhte Kupfergehalt führt dazu, dass während der Warmumformung der dann flüssige Zink nicht so stark in den Grundwerkstoff eindringen und zu Rissbildung beitragen kann, da sich zwischen dem flüssigen Zink und dem Stahlsubstrat eine Kupferschicht mit einem höheren Schmelzpunkt befindet, die als Barriere fungiert. Somit reduziert diese Anordnung die Flüssigmetallversprödung und damit die Rissbildung.
Tabelle 4
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- WO 2016/071399 A1 [0012]WO 2016/071399 A1 [0012]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- DIN EN ISO 13925:2003-07 [0052]DIN EN ISO 13925: 2003-07 [0052]
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