DE102021114770A1

DE102021114770A1 - Verzinkter stahl mit verringter anfälligkeit fürflüssigmetallversprödung (lme)

Info

Publication number: DE102021114770A1
Application number: DE102021114770.0A
Authority: DE
Inventors: Qi Lu; Jianfeng Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20220205082A1; CN114686651B; CN114686651A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von verzinktem Stahl mit einer verringerten Anfälligkeit für Flüssigmetallversprödung (LME) gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Bereitstellen eines Stahlsubstrats, das Eisen, Kohlenstoff in einer Menge von ungefähr 0,01-0,45 Gew.-%, Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gew.-% und Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gew.-% enthält. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer oxidhaltigen Schicht auf einer Oberfläche des Stahlsubstrats durch Glühen des Stahlsubstrats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Bei dem Verfahren wird weiterhin durch ein Sprühbeschichtungsverfahren eine Zinkschicht auf die oxidhaltige Schicht aufgebracht. Bei bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung auch ein Verfahren zum Ausbilden einer Baugruppe mit einer reduzierten Anfälligkeit für LME durch Widerstandspunktschweißen bereit. Die vorliegende Offenbarung stellt bei verschiedenen Aspekten auch ein verzinktes Stahlbauteil bereit, das ein Stahlsubstrat, eine oxidhaltige Schicht und eine Zinkschicht umfasst.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf verzinkten Stahl mit einer verringerten Anfälligkeit für Flüssigmetallversprödung (LME), Verfahren zur Herstellung von verzinktem Stahl mit einer verringerten Anfälligkeit für LME und Verfahren zur Herstellung von hochfesten, korrosionsbeständigen Baugruppen.
Hochfeste Stähle (Advanced High Strength Steels, AHSS) eignen sich aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Duktilität für die Umformung von Autoteilen oder -baugruppen. AHSS kann zur Verringerung der Korrosion verzinkt werden. Allerdings sind die Herstellungsverfahren für verzinkte AHSS begrenzt, da AHSS bei Kontakt mit flüssigem Zink verspröden können.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenlegung dar und ist keine umfassende Offenlegung des vollen Umfangs oder aller Merkmale.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung von verzinktem Stahl mit einer verringerten Anfälligkeit für Flüssigmetallversprödung (LME) bereit. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung eines Stahlsubstrats. Das Stahlsubstrat enthält Eisen, Kohlenstoff in einer Menge von ungefähr 0,01-0,45 Gewichtsprozent, Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent und Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden einer oxidhaltigen Schicht auf einer Oberfläche des Stahlsubstrats durch Glühen des Stahlsubstrats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Das Verfahren umfasst weiterhin das Aufbringen einer Zinkschicht auf die oxidhaltige Schicht durch ein Sprühbeschichtungsverfahren.
Bei einem Aspekt umfasst das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Glühen des Stahlsubstrats, wobei der Taupunkt auf weniger als ungefähr 10 °C geregelt ist.
Bei einem Aspekt umfasst die sauerstoffhaltige Atmosphäre weniger als 10 Volumenprozent Sauerstoff und die sauerstoffhaltige Atmosphäre umfasst ferner Stickstoff oder Wasserstoff beziehungsweise sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff.
Bei einem Aspekt umfasst das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Glühen des Stahlsubstrats bei einem Temperaturbereich von ungefähr 500-950 °C.
Bei einem Aspekt umfasst das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Glühen des Stahlsubstrats für eine Dauer von ungefähr 1-10.000 Sekunden.
Bei einem Aspekt beträgt die Dauer ungefähr 60-600 Sekunden.
Bei einem Aspekt umfasst das Sprühbeschichtungsverfahren das elektrische Galvanisieren, das chemische Aufdampfen, das physikalische Aufdampfen, das Dampfstrahlabscheiden oder eine beliebige Kombination davon.
Bei einem Aspekt umfasst das Sprühbeschichtungsverfahren das Dampfstrahlabscheiden.
Bei einem Aspekt umfasst das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Bilden einer ersten oxidhaltigen Schicht auf einer ersten Oberfläche des Stahlsubstrats und das Bilden einer zweiten oxidhaltigen Schicht auf einer zweiten Oberfläche des Stahlsubstrats gegenüber der ersten Oberfläche. Das Aufbringen der Zinkschicht umfasst das Aufbringen einer ersten Zinkschicht auf die erste oxidhaltige Schicht und das Aufbringen einer zweiten Zinkschicht auf die zweite oxidhaltige Schicht.
Bei einem Aspekt definiert die oxidhaltige Schicht eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,01-5 µm.
Bei einem Aspekt weist die oxidhaltige Schicht eine Porosität von weniger als oder gleich ungefähr 1 %auf.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer zinkbeschichteten Stahlbaugruppe mit verringerter LME bereit. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung eines ersten verzinkten Stahlbauteils, das ein erstes Stahlsubstrat, eine erste oxidhaltige Schicht auf einer Oberfläche des Stahlsubstrats und eine erste Zinkschicht auf einer Oberfläche der oxidhaltigen Schicht umfasst. Das erste Stahlsubstrat umfasst Eisen, Kohlenstoff in einer Menge von ungefähr 0,01-0,45 Gewichtsprozent, Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent und Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent. Das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung eines zweiten zinkbeschichteten Stahlbauteils, das ein zweites Stahlsubstrat, eine zweite oxidhaltige Schicht auf einer Oberfläche des Stahlsubstrats und eine zweite Zinkschicht auf einer Oberfläche der oxidhaltigen Schicht umfasst. Das zweite Stahlsubstrat umfasst Eisen, Kohlenstoff in einer Menge von ungefähr 0,01-0,45 Gewichtsprozent, Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent und Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent. Das Verfahren umfasst ferner das Anordnen der ersten verzinkten Stahlkomponente und des zweiten verzinkten Stahlbauteils, so dass die erste Zinkschicht die zweite Zinkschicht berührt. Das Verfahren umfasst ferner das Formen der Baugruppe durch Widerstandspunktschweißen des ersten verzinkten Stahlbauteils an das zweite verzinkte Stahlbauteil.
Bei einem Aspekt umfasst das Verfahren ferner, dass vor dem Umformen das erste verzinkte Stahlbauteil und das zweite verzinkte Stahlbauteil gestanzt werden.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein verzinktes Stahlbauteil bereit. Das verzinkte Stahlbauteil umfasst ein Stahlsubstrat, eine oxidhaltige Schicht und eine Zinkschicht. Das Stahlsubstrat enthält Eisen, Kohlenstoff in einer Menge von ungefähr 0,01-0,45 Gewichtsprozent, Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent und Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent. Die oxidhaltige Schicht liegt auf einer Oberfläche des Stahlsubstrats. Die Zinkschicht liegt auf der oxidhaltigen Schicht.
Bei einem Aspekt weist die oxidhaltige Schicht eine Porosität von weniger als oder gleich ungefähr 10 % auf.
Bei einem Aspekt definiert die oxidhaltige Schicht eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,01-5 µm.
Bei einem Aspekt liegt die Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,1-1 µm.
Bei einem Aspekt umfasst die oxidhaltige Schicht Eisen, Sauerstoff, Chrom und Silizium.
Bei einem Aspekt ist das Chrom in einer Menge von ungefähr 0,1-50 Gewichtsprozent vorhanden. Das Silizium ist in einer Menge von ungefähr 0,1-30 Gewichtsprozent vorhanden. Bei einem Aspekt umfasst die oxidhaltige Schicht eine erste oxidhaltige Schicht auf einer ersten Oberfläche des Stahlsubstrats und eine zweite oxidhaltige Schicht auf einer zweiten Oberfläche des Stahlsubstrats gegenüber der ersten Oberfläche. Die Zinkschicht umfasst eine erste Zinkschicht auf der ersten oxidhaltigen Schicht und eine zweite Zinkschicht auf der zweiten oxidhaltigen Schicht.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer hochfesten, korrosionsbeständigen Stahl-Baugruppe gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 ist eine Schnittansicht eines Stahlsubstrats gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine Schnittansicht eines voroxidierten Stahlsubstrats, das das Stahlsubstrat aus 2 gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfasst;
4 ist eine Schnittansicht eines verzinkten Stahlsubstrats, das das voroxidierte Stahlsubstrat von 3 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst;
5 ist eine schematische Darstellung eines Widerstandspunktschweißverfahrens mit Bauteilen, die aus dem verzinkten Stahlsubstrat von 4 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung geformt sind;
6 ist eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme eines voroxidierten Stahlsubstrats gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
7 ist eine REM-Aufnahme eines voroxidierten Stahlsubstrats gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es sind Ausführungsbeispiele bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein genaues Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der, die, das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „externe“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Abbildungen veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5%, optional kleiner oder gleich 4%, optional kleiner oder gleich 3%, optional kleiner oder gleich 2%, optional kleiner oder gleich 1%, optional kleiner oder gleich 0, % und kleiner oder gleich 0, % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Wie oben beschrieben, werden hochfeste Stähle (Advanced High Strength Steels, AHSS) aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Duktilität vorteilhaft zur Herstellung von Autoteilen und -baugruppen eingesetzt. Zur Verringerung oder Verhinderung von Korrosion kann im Schmelztauchverfahren eine Zinkschicht direkt auf den AHSS aufgetragen werden. Vor dem Aufbringen der Zinkschicht wird der AHSS in einer sauerstofffreien Umgebung geglüht.
Die nachträgliche Herstellung von zinkbeschichtetem AHSS kann durch die Anfälligkeit von AHSS für Flüssigmetallversprödung (LME) eingeschränkt sein. Da zum Beispiel Zink einen niedrigeren Schmelzpunkt als AHSS hat, schmilzt das Zink bei Prozessen wie dem Widerstandspunktschweißen zuerst. Das flüssige Zink kann an den Korngrenzen in den AHSS eindringen, wodurch eine Baugruppe entsteht, die aufgrund der LME des AHSS eine verringerte Festigkeit und Leistung aufweist.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung einen hochfesten, hochduktilen, korrosionsbeständigen Stahl mit einer verringerten Anfälligkeit für LME sowie Verfahren zur Herstellung des Stahls bereit. Der Stahl hat einen im Vergleich zu anderen AHSS höheren Chromgehalt und einen höheren Siliziumgehalt. Der Stahl wird in einer sauerstoffhaltigen Umgebung voroxidiert, um eine Oxidschicht zu bilden, die ein Chrom- und Silizium-angereichertes Oxid enthält. Auf die Oxidschicht wird eine korrosionsschützende Zinkschicht aufgetragen. Bei bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung auch Verfahren zur Herstellung korrosionsbeständiger, hochfester Stahlbaugruppen bereit, die durch Widerstandspunktschweißen gebildet werden. Beim Widerstandspunktschweißen wirkt die Oxidschicht als Sperre für das flüssige Zink und verringert oder verhindert dadurch die LME des Stahlsubstrats.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer hochfesten, korrosionsbeständigen Stahl-Baugruppe gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Bei 110 umfasst das Verfahren die Bereitstellung eines Stahlsubstrats. Bei 114 umfasst das Verfahren außerdem das Ausbilden einer Oxidschicht auf dem Stahlsubstrat. Bei 118 umfasst das Verfahren außerdem das Aufbringen einer Zinkschicht auf die Oxidschicht. Bei 122 umfasst das Verfahren außerdem das Formen eines Bauteils. Bei 126 umfasst das Verfahren außerdem das Herstellen einer Baugruppe, die das Bauteil umfasst. Bei bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung von zinkbeschichtetem Stahl mit einer verringerten Anfälligkeit für LME bereit, das die Schritte 110, 114 und 118 umfasst. Jeder dieser Schritte wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Bereitstellung des Stahlsubstrats
Bei 110 umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Stahlsubstrats. Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Stahlsubstrat 210 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das Stahlsubstrat hat einen im Vergleich zu anderen AHSS erhöhten Chrom- und Siliziumgehalt. Beispiele für den Stahl sind in der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 2019/127240 beschrieben (Anmeldung Nr. PCT/CN2017/1 19484; Erfinder: Qi Lu, Jiachem Pang, Jianfeng Wang; Tag der Anmeldung: 28. Dezember 2017; Tag der Veröffentlichung: 4. Juli 2019), hierin durch Verweis in vollem Umfang aufgenommen.
Bei bestimmten Aspekten enthält das Stahlsubstrat 210 Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Silizium (Si) und Eisen (Fe). Das Stahlsubstrat kann außerdem Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Molybdän (Mb), Vanadium (V), Niob (Nb), Bor (B), Titan (Ti) und/oder Aluminium (AI) enthalten. Das Stahlsubstrat 210 enthält Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent, Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent, Kohlenstoff in einer Menge von 0,01-0,45 Gewichtsprozent, Mangan in einer Menge von ungefähr 0-4,5 Gewichtsprozent, Nickel in einer Menge von ungefähr 0-5 Gewichtsprozent und Kupfer in einer Menge von 0-2 Gewichtsprozent; und als Rest Eisen. Bei bestimmten Aspekten kann das Stahlsubstrat 210 Molybdän in einer Menge von weniger als 1 Gewichtsprozent, Vanadium in einer Menge von weniger als 1 Gewichtsprozent, Niob in einer Menge von weniger als 0,5 Gewichtsprozent, Bor in einer Menge von weniger als 0,01 Gewichtsprozent, Titan in einer Menge von weniger als ungefähr 0,1 Gewichtsprozent und/oder Aluminium in einer Menge von weniger als ungefähr 0,5 Gewichtsprozent enthalten.
In einem Beispiel besteht das Stahlsubstrat 210 im Wesentlichen aus Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent; Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent; Kohlenstoff in einer Menge von 0,01-0,45 Gewichtsprozent; Mangan in einer Menge von ungefähr 0-4.5 Gew.-%; Nickel in einer Menge von ungefähr 0-5 Gew.-%; Kupfer in einer Menge von 0-2 Gew.-%; Molybdän in einer Menge von weniger als 1 Gew.-%; Vanadium in einer Menge von weniger als 1 Gew.-%; Niob in einer Menge von weniger als 0,5 Gew.-%; Bor in einer Menge von weniger als 0,01 Gew.-%; Titan in einer Menge von weniger als ungefähr 0,1 Gew.-%; Aluminium in einer Menge von weniger als ungefähr 0,5 Gew.-%; der Rest entfällt auf Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. In einem Beispiel besteht das Stahlsubstrat 210 im Wesentlichen aus Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2,5 Gewichtsprozent, Kohlenstoff in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 0,45 Gewichtsprozent, Mangan in einer Menge von ungefähr 0 bis 4,5 Gewichtsprozent, Nickel in einer Menge von ungefähr 0 bis 5 Gewichtsprozent, Kupfer in einer Menge im Bereich von 0 bis 2 Gewichtsprozent; der Rest entfällt auf Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. In einem Beispiel besteht das Stahlsubstrat 210 im Wesentlichen aus Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent; Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent; Kohlenstoff in einer Menge im Bereich von 0,01-0,45 Gewichtsprozent; und als Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen.
Bilden einer Oxidschicht
Bei 114 (1) umfasst das Verfahren das Bilden einer Oxidschicht (auch als „oxidhaltige Schicht“ bezeichnet). Unter Bezugnahme auf 3 wird ein voroxidierter Stahl 310 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Der voroxidierte Stahl 310 umfasst das Stahlsubstrat 210, eine erste Oxidschicht 314 und eine zweite Oxidschicht 318. Die erste Oxidschicht 314 wird auf einer ersten Oberfläche 322 des Stahlsubstrats 210 gebildet. Die zweite Oxidschicht 318 wird auf einer zweiten Oberfläche 326 des Stahlsubstrats 210 gegenüber der ersten Oberfläche 322 gebildet. Bei bestimmten anderen Aspekten kann ein voroxidiertes Stahlsubstrat gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung nur eine einzige Oxidschicht auf einer einzigen Oberfläche des Stahlsubstrats umfassen.
Die erste und zweite Oxidschicht 314, 318 sind dazu ausgelegt, flüssiges Metall (z. B. Zink) daran zu hindern, in die Korngrenzen des Stahlsubstrats 210 einzudringen und LME des Stahlsubstrats 210 zu verursachen. Dementsprechend ist die Oxidschicht im Wesentlichen durchgehend und hat eine hohe Dichte und geringe Porosität. Wie hierin verwendet, bedeutet „im Wesentlichen kontinuierlich“, dass die erste und zweite Oxidschicht 314, 318 im Wesentlichen die gesamte erste bzw. zweite Oberfläche 322, 326 bedecken. Die Oxidschichten können eine Porosität von weniger als ungefähr 10 % aufweisen (z. B. weniger als ungefähr 9 %, weniger als ungefähr 8 %, weniger als ungefähr 7 %, weniger als ungefähr 6 %, weniger als ungefähr 5 %, weniger als ungefähr 4 %, weniger als ungefähr 3 %, weniger als ungefähr 2 % oder weniger als ungefähr 1 %).
Jede der Oxidschichten 314, 318 kann eine erste Dicke 330 definieren. Bei bestimmten Aspekten liegt die Dicke 330 in einem Bereich von ungefähr 0,01-5 µm (z. B. 0,01-0,1 µm, 0,1-1 µm, 1-2 µm, 2-3 µm, 3-4 µm oder 4-5 µm). In einem Beispiel liegt die erste Dicke 330 in einem Bereich von ungefähr 0,1-1 µm.
Die Oxidschichten 314, 318 enthalten ein mit Chrom und Silizium angereichertes Oxid. Bei bestimmten Aspekten enthalten die Oxidschichten 314, 318 Chrom, Silizium, Sauerstoff und Eisen. Die Oxidschichten 314, 318 können eine Zusammensetzung von Fe_xCr_ySi_zO aufweisen. Bei bestimmten Aspekten können die Oxidschichten 314, 318 Chrom in einer Menge von 0,1-50 Gewichtsprozent und Silizium in einer Menge von 0,1-30 Gewichtsprozent; und als Rest Sauerstoff und Eisen.
Das Ausbilden der Oxidschichten 314, 318 erfolgt in Abhängigkeit mit der Zusammensetzung des Stahlsubstrats 210 und einem kontrollierten Glühprozess. Der kontrollierte Glühprozess findet in einer sauerstoffhaltigen Umgebung (O₂) statt. Die Umgebung enthält außerdem Wasserstoff (H₂), Stickstoff (N₂) oder sowohl Wasserstoff als auch Stickstoff. Der Sauerstoff wird in einer Konzentration von weniger als ungefähr 10 Volumenprozent gehalten (z. B. weniger als ungefähr 9 Volumenprozent, weniger als ungefähr 8 Volumenprozent, weniger als ungefähr 7 Volumenprozent, weniger als ungefähr 6 Volumenprozent oder weniger als ungefähr 5 Volumenprozent). Der Taupunkt wird auf unter ungefähr 10 °C (z. B. unter ungefähr 9 °C, unter ungefähr 8 °C, unter ungefähr 7 °C, unter ungefähr 6 °C oder unter ungefähr 5 °C) geregelt.
Das Anodisieren wird bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 500-950 °C durchgeführt (z. B. ungefähr 500-550 °C, ungefähr 550-600 °C, ungefähr 600-650 °C, ungefähr 650-700 °C, ungefähr 700-750 °C, ungefähr 750-800 °C, ungefähr 800-850 °C, ungefähr 850-900 °C oder ungefähr 900-950 °C). Das Anodisieren wird für eine Dauer in einem Bereich von ungefähr 1-10.000 Sekunden durchgeführt (z. B. ungefähr 1-100 Sekunden, ungefähr 100-250 Sekunden, ungefähr 250-500 Sekunden, ungefähr 500-1.000 Sekunden, ungefähr 1.000-2.500 Sekunden, ungefähr 2.500-5.000 Sekunden oder ungefähr 5.000-10.000 Sekunden). In einem Beispiel beträgt die Dauer ungefähr 60-600 Sekunden.
Verzinken des Stahlsubstrats
Bei 118 (1) umfasst das Verfahren das Verzinken des Stahlsubstrats. Unter Bezugnahme auf 4 wird ein verzinktes Stahlsubstrat 410 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das verzinkte Stahlsubstrat 410 umfasst das Stahlsubstrat 210, die erste und zweite Oxidschicht 314, 318 sowie die erste und zweite Zinkschicht 414, 418. Die erste und zweite Zinkschicht 414, 418 enthalten Zink. In einem Beispiel enthalten die erste und zweite Zinkschicht 414, 418 außerdem Eisen oder Nickel oder sowohl Eisen als auch Nickel. Die erste und zweite Zinkschicht 414, 418 können im Wesentlichen aus Zink, Eisen, Nickel und unvermeidlichen Verunreinigungen bestehen. In einem anderen Beispiel bestehen die erste und zweite Zinkschicht 414, 418 im Wesentlichen aus Zink und unvermeidlichen Verunreinigungen.
Die erste Zinkschicht 414 ist auf einer dritten Oberfläche 422 der ersten Oxidschicht 314 angeordnet. Die zweite Zinkschicht 418 ist auf einer vierten Oberfläche 426 der zweiten Oxidschicht 318 angeordnet. Bei bestimmten Aspekten definiert jede der ersten und zweiten Zinkschichten 414, 418 eine zweite Dicke 430 in einem Bereich von 5-50 µm (z. B. 5-10 µm, 10-20 µm, 20-30 µm, 30-40 µm oder 40-50 µm). Bei bestimmten anderen Aspekten kann ein zinkbeschichtetes Stahlsubstrat gemäß der vorliegenden Offenbarung nur eine einzige Zinkschicht enthalten.
Die Oxidschichten 314, 318 können im Schmelztauchverfahren das Anhaften des Zinks an dem voroxidierten Stahlsubstrat 310 verhindern (3). Dementsprechend werden in bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung die Zinkschichten 414, 418 durch ein Dampfverfahren aufgebracht. Das Zinkbeschichten kann z. B. das elektrische Verzinken (EG), das chemische Gasphasenabscheiden (CVD), das physikalische Gasphasenabscheiden (PVD), das Dampfstrahlabscheiden (JVD) oder beliebige Kombinationen daraus umfassen. Bei bestimmten Aspekten umfasst das Zinkbeschichten das Dampfstrahlabscheiden (JVD). Das Dampfstrahlabscheiden umfasst im Allgemeinen das Verdampfen von Zink, das Sprühen von Zinktröpfchen auf ein sich bewegendes Substrat und das Erzeugen einer Zinkbeschichtung, während die Tröpfchen in einer Vakuumumgebung erstarren.
Stanzen des verzinkten Stahlsubstrats
Bei 122 (1) umfasst das Verfahren ferner das Stanzen des verzinkten Stahlsubstrats 410 (4) zum Formen eines Bauteils, z. B. eines Bauteils für eine Automobilbaugruppe.
Herstellen einer Baugruppe
Bei 126 (1) umfasst das Verfahren weiterhin das Herstellen einer hochfesten, korrosionsbeständigen Baugruppe, die das Bauteil enthält. Die Baugruppe kann durch Widerstandspunktschweißen hergestellt werden. Unter Bezugnahme auf 5 wird eine schematische Darstellung des Widerstandspunktschweißens eines Paares der verzinkten Stahlsubstrate 410 (die ein Bauteile-Paar sein können, das in Schritt 122 gestanzt wird) gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die verzinkten Stahlsubstrate 410 werden zwischen einem Elektrodenpaar 510 platziert und so angeordnet, dass die jeweiligen Zinkschichten 414-1, 418-2 in direkter Verbindung stehen. Es wird eine Schweißlinse (nicht abgebildet) erzeugt, um die Komponenten aneinander zu befestigen. Die Baugruppe kann eine Fahrzeugbaugruppe umfassen, wie z. B. eine A-Säule, eine B-Säule, eine Scharniersäule und/oder eine Türverstrebung. Der verzinkte Stahl und die Verfahren der vorliegenden Offenbarung sind jedoch auch für Einsatzzwecke bei Non-Automotive-Fahrzeugen sowie außerhalb der Automobilindustrie geeignet.
Beispiel 1
Unter Bezugnahme auf 6 wird ein voroxidiertes Stahlsubstrat 610 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das Maß 612 bezeichnet 1 µm. Das voroxidierte Stahlsubstrat 610 umfasst ein Stahlsubstrat 614 mit ungefähr 2 Gewichtsprozent Chrom und ungefähr 1,5 Gewichtsprozent Silizium. Das voroxidierte Stahlsubstrat 610 enthält außerdem eine Oxidschicht 618 mit einer Dicke 622, die in einem Bereich von 0,2-0,6 µm variiert.
Beispiel 2
Unter Bezugnahme auf 7 wird ein voroxidiertes Stahlsubstrat 710 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das Maß 712 bezeichnet 2,5 µm. Das voroxidierte Stahlsubstrat 710 umfasst ein Stahlsubstrat 714 und eine Oxidschicht 718. Die Oxidschicht 718 enthält Chrom, Silizium, Sauerstoff und Eisen.
Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2019/127240 [0040]

Claims

Verfahren zur Herstellung von zinkbeschichtetem Stahl mit einer verringerten Anfälligkeit für Flüssigmetallversprödung (LME), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Stahlsubstrats, das Eisen, Kohlenstoff in einer Menge von ungefähr 0,01-0,45 Gewichtsprozent, Chrom in einer Menge von ungefähr 0,5-5 Gewichtsprozent und Silizium in einer Menge von ungefähr 0,5-2,5 Gewichtsprozent umfasst; Bilden einer oxidhaltigen Schicht auf einer Oberfläche des Stahlsubstrats durch Glühen des Stahlsubstrats in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre; und Aufbringen einer Zinkschicht auf die oxidhaltige Schicht durch ein Sprühbeschichtungsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Glühen des Stahlsubstrats bei einem auf weniger als ungefähr 10 °C geregelten Taupunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die sauerstoffhaltige Atmosphäre weniger als 10 Volumenprozent Sauerstoff umfasst und die sauerstoffhaltige Atmosphäre außerdem Stickstoff oder Wasserstoff beziehungsweise sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Glühen des Stahlsubstrats bei einem Temperaturbereich von ungefähr 500-950 °C umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Glühen des Stahlsubstrats für eine Dauer von ungefähr 1-10.000 Sekunden umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sprühbeschichtungsverfahren das elektrische Galvanisieren, das chemische Aufdampfen, das physikalische Aufdampfen, das Dampfstrahlabscheiden oder eine beliebige Kombination davon umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sprühbeschichtungsverfahren das Dampfstrahlabscheiden umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden der oxidhaltigen Schicht das Ausbilden einer ersten oxidhaltigen Schicht auf einer ersten Oberfläche des Stahlsubstrats und das Ausbilden einer zweiten oxidhaltigen Schicht auf einer zweiten Oberfläche des Stahlsubstrats gegenüber der ersten Oberfläche umfasst, und das Aufbringen der Zinkschicht das Aufbringen einer ersten Zinkschicht auf die erste oxidhaltige Schicht und das Aufbringen einer zweiten Zinkschicht auf die zweite oxidhaltige Schicht umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oxidhaltige Schicht eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0,01-5 µm definiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oxidhaltige Schicht eine Porosität von weniger als oder gleich ungefähr 10 % aufweist.