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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Beschichtungsmaterialien, die auf Metalle aufgebracht werden und die Rissbildung durch Flüssigmetallversprödung bei nachfolgenden Schweißvorgängen vermindern.
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Metalle, die in Kraftfahrzeugblechen und Karosseriestrukturen verwendet werden, werden üblicherweise mit einem schützenden Beschichtungsmaterial beschichtet, z. B. durch einen Galvanisierungsprozess oder einen Feuerverzinkungsprozess, um die Korrosion zu mindern. Solche Schutzbeschichtungsmaterialien können ein Zinkmaterial und ein Aluminiummaterial umfassen. Die Schmelztemperaturen der bekannten und üblicherweise verwendeten Zinküberzugsmaterialien sind „niedrig“, hier definiert als Schmelztemperaturen bei oder unter etwa 491 °C. Eine Zugspannung, z. B. durch eine intern vorhandene Zugspannung, die z. B. während einer schnellen Abkühlung nach dem Beschichten auftritt, oder eine extern aufgebrachte Zugspannung, die z. B. während eines Schweißvorgangs auftritt, kann eine Flüssigmetallversprödung (LME) an der Oberfläche der Substrate in der Nähe eines Umfangs, unter den Elektroden und/oder an einer Grenzfläche zwischen den geschweißten Substraten hervorrufen.
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Es ist bekannt, dass LME in duktilen Metallen auftritt, die einen Verlust der Zugduktilität erfahren oder einen Sprödbruch erleiden, wenn sie bestimmten flüssigen Metallen ausgesetzt werden. Eine praktische Bedeutung von LME zeigt sich bei mehreren Stählen, wie z. B. Gen3-Stählen, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen erwünscht sind, um eine höhere Materialfestigkeit und ein geringeres Gewicht zu erreichen. Gen3-Stähle werden hier als ein Stahl definiert, der ein minimales Zugfestigkeits- und Dehnungsprodukt von 20 GPa Prozent aufweist. Es wurde beobachtet, dass Gen3-Stähle beim Schweißen Duktilitätsverluste und Rissbildung aufweisen. LME-Risse können katastrophal auftreten und es wurden hohe Risswachstumsraten beobachtet. Bestimmte wünschenswerte Werkstoffe wie Gen3-Stähle, die von einer korrosionsbeständigen Beschichtung profitieren, wurden daher vom Einsatz in Kraftfahrzeugen ausgeschlossen.
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LME-Rissbildung kann bei bekannten Zink- und Aluminiumbeschichtungsmaterialien während Schweißvorgängen wie dem Widerstandspunktschweißen auftreten, die zum Verbinden von Metallkomponenten verwendet werden, die die Beschichtungsmaterialien mit niedriger Schmelztemperatur aufweisen. LME-Rissbildung kann aufgrund von Unterschieden in den Metallschmelztemperaturen und dem Druck, der während des Widerstandsschweißens ausgeübt wird, auftreten, insbesondere an einer Schnittstelle zwischen dem Grundmaterial, wie z. B. einem Stahlmaterial, und dem Beschichtungsmaterial. Die LME-Rissbildung schwächt das Grundmaterial, wodurch die Grundfestigkeit des Grundmaterials verringert wird.
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Während die derzeitigen Beschichtungen, die zur Korrosionsminderung eingesetzt werden, ihren Zweck erfüllen, besteht also ein Bedarf an einem neuen und verbesserten Beschichtungsmaterial, um die Rissbildung beim Widerstandsschweißen zu mindern.
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BESCHREIBUNG
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Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Gegenstand ein Substrat. Eine Beschichtung ist auf dem Substrat angeordnet, wobei die Beschichtung entweder ein Material auf Zinkbasis oder ein Material auf Aluminiumbasis ist, wobei die Beschichtung einen Schmelzpunkt von mindestens 500°C hat.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die Beschichtung ein Zn-20Ni-Material.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die Beschichtung ein Zn-10Ni-1 5Fe-Material.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die Beschichtung ein Al-10Zn-10Mg-Material.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die Beschichtung ein Al-20Si-Material.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat die Beschichtung einen maximalen Schmelzpunkt von etwa 1034°C.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat die Beschichtung eine Dicke im Bereich von ca. 5 Mikron bis zu ca. 50 Mikron.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die Beschichtung eines von Zn-Ni und Zn-Ni-Fe, um eine Menge an Zink zu reduzieren, die während eines Widerstandsschweißvorgangs an einer Elektrodenkontaktschicht schmilzt.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die Beschichtung eines von Al-Zn-Mg und Al-Si, um eine Menge an Zinkschmelze an einer Elektrode zu reduzieren, die die Beschichtung während eines Widerstandsschweißverfahrens berührt.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert das Substrat einen Gen3-Stahl.
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Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Beschichtungssystem mit einem Hochtemperatur-Beschichtungsmaterial zur Abschwächung der Rissbildung durch Flüssigmetallversprödung (LME) ein Substrat, das ein Stahlmaterial definiert. Eine Beschichtung aus korrosionsbeständigem Material wird auf das Substrat aufgebracht. Die Beschichtung aus korrosionsbeständigem Material ist auf ein Material auf Zinkbasis oder ein Material auf Aluminiumbasis beschränkt. Das korrosionsbeständige Material definiert eine Hochtemperatur-Beschichtungsschicht mit einem Schmelzpunkt größer als ca. 500°C.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert das zinkbasierte Material eines von einem Zn-20Ni-Material und einem Zn-10Ni-15Fe-Material und das aluminiumbasierte Material eines von einem Al-10Zn-10Mg-Material und einem Al-20Si-Material.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert das Substrat einen Gen3-Stahl.
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Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Aufbringen einer Hochtemperaturbeschichtung zur Abschwächung von Flüssigmetallversprödung (LME) Rissbildung: Aufbringen einer Beschichtung aus korrosionsbeständigem Material auf ein Substratmaterial; Identifizieren von drei Faktoren, die gemeinsam auftreten, wenn ein Flüssigmetallversprödungs(LME)-Rissereignis gefunden wird, wobei das LME-Rissereignis auftritt, wenn ein erster Faktor, der eine Flüssigmetallphase der auf das Substratmaterial aufgebrachten Beschichtung aus korrosionsbeständigem Material definiert, gleichzeitig mit einem zweiten Faktor, der ein Auftreten einer vorbestimmten Zugspannung in dem Substratmaterial definiert, und einem dritten Faktor, der eine vorbestimmte, für LME-Rissbildung empfindliche Mikrostruktur definiert, vorhanden ist und Modifizieren des ersten Faktors durch Auswählen des korrosionsbeständigen Materials als Hochtemperatur-Beschichtung mit einem Schmelzpunkt von mehr als etwa 500°C, um das Auftreten des LME-Rissereignisses in dem Substratmaterial abzuschwächen.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Aufbringen der Hochtemperatur-Beschichtungsschicht auf das Substrat unter Verwendung eines Galvanisierungsverfahrens.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Aufbringen der Hochtemperatur-Beschichtungsschicht auf das Substrat mittels eines Feuerverzinkungsprozesses.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren die Auswahl des korrosionsbeständigen Materials aus einer Reihe von Zink-Nickel-Legierungen für die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht, die Schmelzpunkte von mehr als etwa 500°C aufweisen und bis zu einem Schmelzpunkt von etwa 1034°C reichen.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren die Auswahl des korrosionsbeständigen Materials als ein Material auf Zinkbasis, das eines von einem Zn-20Ni-Material und einem Zn-10Ni-15Fe-Material definiert.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren die Auswahl des korrosionsbeständigen Materials als ein Material auf Aluminiumbasis, das eines von einem Al-10Zn-10Mg-Material und einem Al-20Si-Material definiert.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren die Auswahl eines Stahlmaterials für das Substrat, einschließlich eines Gen3-Stahls als Material des Substrats.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorliegenden Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
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Figurenliste
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Die hier beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
- 1 ist ein Venn-Diagramm, das eine modifizierte Flüssigmetallphase identifiziert, die ein LME-Cracking-Ereignis für das System und Verfahren gemäß einem beispielhaften Aspekt ausschließt;
- 2 ist eine perspektivische Vorderansicht eines beispielhaften beschichteten Bauteils, das mit dem System und Verfahren von 1 hergestellt wurde;
- 3 ist ein schematisches Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte der Feuerverzinkung zur Herstellung eines beschichteten Bauteils unter Verwendung des Systems und Verfahrens von 1 darstellt;
- 4 ist ein Zink-Nickel-Phasendiagramm, das zur Auswahl eines Zink-Nickel-Materials für die Anwendung als Hochtemperatur-Beschichtungsschicht unter Verwendung des Systems und Verfahrens von 1 verwendet wird;
- 5 ist ein ternäres Zink-Nickel-Eisen-Phasendiagramm, das zur Auswahl eines Zink-Nickel-Eisen-Materials für die Anwendung als Hochtemperaturüberzugsschicht unter Verwendung des Systems und Verfahrens von 1 verwendet wird; und
- 6 ist eine perspektivische Vorderansicht der beispielhaften beschichteten Komponente aus 2, die durch Widerstandsschweißen mit einer Metallplatte verbunden ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
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Unter Bezugnahme auf 1 werden ein System und ein Verfahren zum Auftragen einer Hochtemperaturbeschichtung zur Abschwächung der Flüssigmetallversprödung (LME) 10 der vorliegenden Offenbarung anhand eines Venn-Diagramms 12 dargestellt. Das Venn-Diagramm 12 stellt drei Faktoren dar, von denen bekannt ist, dass sie zusammen auftreten, wenn ein LME-Rissereignis 14 gefunden wird, z. B. in Stahlsubstratmaterialien, die mit einem korrosionsbeständigen Material beschichtet sind. Das LME-Rissereignis 14 kann auftreten, wenn eine Flüssigmetallphase 16 einer Beschichtung aus korrosionsbeständigem Material, die auf einen Substratwerkstoff, wie z. B. einen Gen3-Stahl, aufgebracht ist, gleichzeitig mit dem Auftreten einer vorbestimmten Zugspannung 18 im Substratwerkstoff zusammen mit einer vorbestimmten Mikrostruktur 20, die für LME-Rissbildung empfindlich ist, vorhanden ist. Gemäß mehreren Aspekten verschiebt das System und Verfahren zum Aufbringen einer Hochtemperaturbeschichtung, das unter Bezugnahme auf 2 erörtert wird, um die Flüssigmetallversprödung (LME) Rissbildung 10 abzuschwächen, den Einfluss der Flüssigmetallphase 16 auf eine modifizierte Flüssigmetallphase 22, die das LME-Rissbildungsereignis 14 ausschließt.
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Das LME-Rissereignis 14 kann z. B. auftreten, wenn ein Stahlsubstrat wie ein Gen3-Stahl mit einem Niedrigtemperatur-Zinkmaterial beschichtet wird, das hier als Material mit einem Schmelzpunkt bei oder unter ca. 491°C definiert ist. Reines Zink hat einen Schmelzpunkt von ca. 419°C, der durch die Zugabe von Nickelmaterial erhöht wird, um den Niedertemperatur-Schmelzpunkt bei oder unter ca. 491 °C zu erreichen. Die vorbestimmte Zugdehnung 18 kann dann in dem bei niedriger Temperatur beschichteten Stahl erreicht werden, z. B. während der Abkühlungsschrumpfung der beiden Materialien nach der Beschichtung. Die vorbestimmte Zugdehnung 18 kann auch während der Anwendung einer Dehnung beim anschließenden Schweißen des niedrigtemperaturschmelzenden Metalls erreicht werden, z. B. wenn ein Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden beschichteter Stahlkomponenten verwendet wird. Wenn das Niedertemperatur-Beschichtungsmaterial durch ein „Hochtemperatur“-Beschichtungsmaterial der vorliegenden Offenbarung ersetzt wird, das hierin als Material mit einem Schmelzpunkt bei oder über etwa 500°C definiert ist, schließt die resultierende modifizierte Flüssigmetallphase 22 das LME-Rissereignis 14 aus.
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Unter Bezugnahme auf 2 und erneut auf 1 umfasst ein beispielhaftes beschichtetes Bauteil 24, das unter Verwendung des Systems und Verfahrens zum Auftragen einer Hochtemperaturbeschichtung zur Abschwächung der Flüssigmetallversprödung (LME) 10 der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, ein Substrat 26, das ein Stahl wie ein Gen3-Stahl sein kann. Gen3-Stähle erreichen die Festigkeit und Duktilität von Gen2-Stählen ohne die mit Gen2-Stählen verbundenen Kosten und Verbindungsprobleme. Gen2-Stähle werden unter Verwendung von TWIP-Stählen (twinning-induced plasticity) und austenitischen rostfreien Stählen mit dem Zusatz von Legierungselementen hergestellt. Gen3-Stähle kombinieren hohe Dehnung mit hoher Zugfestigkeit und haben ein minimales Zugfestigkeits- und Dehnungsprodukt von 20 GPa Prozent und sind daher für den Einsatz in Kraftfahrzeugen wegen ihrer erhöhten Festigkeit und ihrer Gewichtsreduzierung wünschenswert.
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Eine Beschichtung aus korrosionsbeständigem Material, die eine Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 definiert, wird auf das Substrat 26 aufgebracht, z. B. durch ein Galvanisierungsverfahren oder ein Feuerverzinkungsverfahren. Die Schichtdicke 30 der Hochtemperaturüberzugsschicht 28 kann zwischen ca. 5 µm und ca. 50 µm liegen. Gemäß mehreren Aspekten kann die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 eines von mehreren Hochtemperaturmaterialien 32 enthalten, die einzeln einen Schmelzpunkt bei oder über etwa 500°C haben. Die Hochtemperaturmaterialien 32 können eines der Materialien Zn-20Ni, Zn-10Ni-15Fe, Al-10Zn-10Mg und Al-20Si umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Nach verschiedenen Aspekten kann auch eine Chromatpassivierungsschicht 34 über der Hochtemperaturbeschichtungsschicht 28 aufgebracht werden. Auf die Chromatpassivierungsschicht 34 wird dann üblicherweise eine Deckschicht 36 aufgebracht. Das beschichtete Bauteil 24 kann dann mit ähnlichen beschichteten Bauteilen oder mit anderen Metallbauteilen verbunden werden, beispielsweise durch ein Widerstandsschweißverfahren. Mit weiterem Bezug auf die 1 und 2 verhindert die Schmelzpunkttemperatur der modifizierten Flüssigmetallphase 22, die durch die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 ermöglicht wird, dass die durch den Widerstandsschweißprozess erzeugte Zugspannung 18 in Verbindung mit der vorgegebenen Mikrostruktur 20 das LME-Rissereignis 14 erzeugt.
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Unter Bezugnahme auf 3 und erneut auf 1 und 2 identifiziert ein schematisches Flussdiagramm 38 beispielhafte Verfahrensschritte für das System und Verfahren zum Aufbringen der Hochtemperaturbeschichtung zur Abschwächung der Rissbildung durch Flüssigmetallversprödung (LME) 10, um eine Feuerverzinkung zum Aufbringen der Hochtemperaturbeschichtungsschicht 28 auf das Substrat 26 zu verwenden. In einem Laugenreinigungsschritt 40 wird ein Formteil 42 aus einem Stahlwerkstoff in ein Laugenbad 44 getaucht. In einem anschließenden Spülschritt 46 wird das Formteil 42 dann in ein Spülbad 48 getaucht, um Reste des Laugenbades 44 zu entfernen. In einem Beizschritt 50 wird das Formteil 42 dann in ein Beizbad 52 getaucht. In einem anschließenden zweiten Spülschritt 54 wird das Formteil 42 in ein zweites Spülbad 56 getaucht, um überschüssige Beizchemikalien zu entfernen. In einem Flussmittelschritt 58 wird das Formteil 42 in ein Flussmittelbad 60 getaucht. Im Anschluss an das Flussmittelbad 60 wird das Formteil 42 in einem Galvanisierungsschritt 62 in ein beheiztes Bad eines ausgewählten Hochtemperaturmaterials 32 getaucht, das in einen flüssigen Zustand erhitzt wird, der an dem Formteil 42 haftet und ein beschichtetes galvanisiertes Teil 64 erzeugt. Nach dem Galvanisierungsschritt 62 werden ein oder mehrere der galvanisierten Elemente 64 abkühlen gelassen und in einem Inspektionsschritt 66 geprüft, um die erfolgreiche Bildung der Hochtemperaturbeschichtungsschicht 28 sicherzustellen.
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Gemäß mehreren Aspekten kann die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 mittels eines Galvanisierungsverfahrens aufgebracht werden. Während des Galvanisierungsprozesses wird eine Metallbeschichtung aus dem Material der Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 auf das Substrat 26 durch eine Reduktion der Kationen des Substrats 26 unter Verwendung eines elektrischen Gleichstroms aufgebracht. Das Substrat 26 wirkt als Kathode (negative Elektrode) einer elektrolytischen Zelle. Der Elektrolyt kann eine Lösung eines Salzes der Hochtemperaturbeschichtungsschicht 28 sein und die Anode (positive Elektrode) kann ein Block aus dem Material der Hochtemperaturbeschichtungsschicht 28 sein. Der Strom, der den elektrolytischen Prozess induziert, wird von einer externen Stromversorgung bereitgestellt.
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Unter Bezugnahme auf 4 und erneut auf 2 und 3 kann ein Zink-Nickel-Phasendiagramm 68 verwendet werden, um ein Material auf Zinkbasis für die Anwendung als Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 auszuwählen. Das Phasendiagramm 68 ermöglicht den Vergleich eines Atomprozents Zink 70 und eines Gewichtsprozents Zink über einen Temperaturbereich 74 in Grad C. Eine erste Kurve 76 identifiziert einen Schmelzpunkt von etwa 419°C von reinem Zink. Bekannte Beschichtungsmaterialien, die einen Anteil von Nickel und Zink enthalten, liegen zwischen der ersten Kurve 76 und einer zweiten Kurve 78 für Zink-Nickel-Materialien mit einem Schmelzpunkt von ca. 491 °C. Diese bekannten Materialkombinationen haben sich als anfällig für LME-Rissbildung erwiesen. Es wurde daher festgestellt, dass eine Lösung zur Abschwächung der LME-Rissbildung darin besteht, die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 aus einem Material zu formulieren, das im Phasendiagramm 68 als ein Zink-Nickel-Legierungsschnittpunkt 80 mit einem Schmelzpunkt 82 von mindestens 500°C identifiziert wurde. Für die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 kann ein Bereich 84 von Zink-Nickel-Legierungen ausgewählt werden, deren Schmelzpunkte von etwa 500°C bis zu einem Schmelzpunkt 86 von etwa 1034°C reichen. Eines der für die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 akzeptablen Zink-Nickel-Materialien, das hier identifizierte Zn-20Ni, wird durch eine Schnittlinie 88 dargestellt, die anzeigt, dass Zn-20Ni innerhalb des Bereichs 84 liegt und einen Schmelzpunkt 90 größer als 850°C hat.
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Unter Bezugnahme auf 5 und erneut auf 1 bis 4 kann ein isothermer Schnitt bei 560°C eines ternären Zink-Nickel-Eisen-Phasendiagramms 92 verwendet werden, um ein Material auf Zinkbasis für die Anwendung als Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 auszuwählen. Das Phasendiagramm 92 liefert einen Zinkbereich 94, der den Atomprozentanteil von Zink definiert, einen Nickelbereich 96, der den Atomprozentanteil von Nickel definiert, und einen Eisenbereich 98, der den Atomprozentanteil von Eisen definiert. Eine Temperaturachse 100 differenziert Materialkombinationen mit einem Schmelzpunkt größer oder kleiner als etwa 500°C. Ein Zn-10Ni-15Fe-Material 102 ist für die Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 zufriedenstellend, da sein Schmelzpunkt größer als 500°C ist.
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Unter Bezugnahme auf 6 und erneut auf 1 und 2 kann während eines Widerstandsschweißverfahrens ein geschweißtes Bauteil 104 durch Widerstandspunktschweißen des beschichteten Bauteils 24' (bei dem die Chromatpassivierungsschicht 34 und die Deckschicht 36 zur Verdeutlichung entfernt wurden) auf eine Metallplatte 106, wie z. B. eine Stahlplatte, erzeugt werden. Eine erste Elektrode 108 berührt eine Oberfläche 110 des beschichteten Bauteils 24' und eine zweite Elektrode 112 berührt eine Oberfläche 114 der Metallplatte 106. Der Hochtemperatur-Schmelzpunkt bei oder über 500°C der Hochtemperatur-Beschichtungsschicht 28 minimiert die Menge an Zink oder Aluminium, die um den Umfang und unterhalb der ersten Elektrode 108 schmilzt, wodurch die LME-Versprödung im Substrat 26 verringert wird.
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Ein System und Verfahren zum Auftragen einer Hochtemperaturbeschichtung zur Abschwächung der Rissbildung durch Flüssigmetallversprödung (LME) der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Dazu gehören ein System und ein Verfahren zum Aufbringen von Hochtemperaturbeschichtungen (auf Zn- und Al-Basis), die das Schmelzen der Beschichtung reduzieren, z. B. beim Widerstandsschweißen von verzinkten hochfesten Stählen. Die Verringerung des Schmelzens der Beschichtung reduziert folglich die Flüssigmetallversprödung des Grundmaterials. Exemplarische Hochtemperatur-Beschichtungsmaterialien sind Zn-20Ni, Zn-10Ni-15Fe, Al-10Zn-10Mg, Al-20Si. Diese Hochtemperatur-Beschichtungsmaterialien erhöhen den Schmelzpunkt einer Beschichtung auf 500°C oder mehr, wodurch ein Schmelzen des Beschichtungsmaterials während der Abkühlung des Materials nach der Beschichtung und während des Widerstandspunktschweißens vermieden wird.
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Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.
