DE102022116082A1

DE102022116082A1 - Verfahren zum Konditionieren der Oberflächen von wärmebehandelten, verzinkten Stahlblechen

Info

Publication number: DE102022116082A1
Application number: DE102022116082.3A
Authority: DE
Inventors: Ernst SCHACHINGER; Siegfried Kolnberger; Christoph Wagner; Florian Gerstner; Andreas Sommer; Rüdiger Heinritz
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH; Voestalpine Metal Forming GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH; Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-12-28
Also published as: CN117751202A; WO2024002507A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren der Oberflächen von wärmebehandelten, verzinkten oder legierungsverzinkten Stahlblechbauteilen, wobei entweder ein Stahlblech zumindest teilbereichsweise zum Zwecke der Austenitisierung erhitzt und anschließend zu einem Stahlblechbauteil umgeformt und mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Abkühlrate abgekühlt wird oder ein Stahlblech erst zu einem Stahlblechbauteil umgeformt und anschließend zumindest teilbereichsweise zum Zwecke der Austenitisierung erhitzt wird und nach dem zumindest teilbereichsweisen Austenitisieren das Stahlblechbauteil mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Abkühlrate abgekühlt wird und in beiden Fällen anschließend die Oberfläche des Stahlblechbauteils einem Schleuderradstrahlen unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleuderradstrahlen mit einer Almenintensität zwischen 0,05 mm N und 0,20 mm N durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren der Oberflächen von wärmebehandelten, verzinkten Stahlblechen bzw. Stahlblechbauteilen.
Es ist bekannt, Bauteile, wie beispielsweise Karosseriebauteile, aus insbesondere verzinkten Stahlblechen zu erzeugen. Hierzu wird zunächst ein Stahlmaterial erschmolzen und üblicherweise im Strangguss vergossen. Die im Strangguss erzeugte Bramme wird anschließend in an sich bekannter Weise zu einem Stahlband warmgewalzt. Ein solches Stahlband wird auch als Warmband bezeichnet.
Das aus der Bramme erwalzte Warmband wird am Ende des Warmwalzprozesses üblicherweise zu einer Bandstahlrolle auch Coil genannt aufgewickelt. Zum Zwecke des Kaltwalzens wird diese Bandstahlrolle bzw. dieser Coil wieder abgewickelt und in einer Kaltwalzstraße entsprechend zum kaltgewalzten Band ausgewalzt.
Das kaltgewalzte Stahlband wird anschließend in einer Feuerverzinkung oder in einer elektrolytischen Verzinkung mit einer Zinkschicht versehen.
Sowohl beim Warmwalzen als auch beim Kaltwalzen wird das Material von der ursprünglichen Dicke der Bramme auf eine gewünschte Zieldicke, beispielsweise eine Zieldicke von 0,5 bis 2 mm reduziert, wodurch sich das Material erheblich längt, so dass die ursprüngliche Bramme nach dem Kaltwalzen ein Stahlband von beispielsweise 2,7 km Länge ergibt. Dieses kaltgewalzte Band wird zu einer Bandstahlrolle bzw. einem Coil aufgewickelt, zum Zwecke der Verzinkung wieder abgewickelt und nach dem Verzinken wieder zu einer Bandstahlrolle bzw. einem Coil aufgewickelt.
Wird nachfolgend von einer Umformung oder einem Umformschritt gesprochen, ist hiermit ausdrücklich die Dickenreduzierung beim Walzen nicht gemeint.
Es ist zudem bekannt, derartige Stahlbänder auch aus Stahlgüten herzustellen, welche abschreckhärtbar sind.
Beim Abschreckhärten wird ein Stahlmaterial mindestens auf eine Temperatur gebracht, bei der eine Austenitisierung, das heißt eine Umwandung des Eisens in Gamma-Eisen stattfindet. Wird diese Stahlphase in einem nachfolgenden Schritt mit einer Kühlgeschwindigkeit über der kritischen Kühlgeschwindigkeit abgekühlt, wird aus dem Gamma-Eisen Martensit gebildet. Ein martensitisches Gefüge besitzt aufgrund einer unterschiedlichen Kohlenstofflöslichkeit zum Gamma-Eisen eine verzerrte Struktur, die zu einer hohen Eigenspannung und damit Härte führt.
Es ist zudem bekannt, den Effekt der Abschreckhärtung auch bei der Herstellung von Stahlblechbauteilen und insbesondere Automobilbauteilen, wie Karosseriebauteilen oder Strukturbauteilen zu nutzen.
Hierfür haben sich zwei grundsätzliche Verfahren etabliert.
Im ersten Verfahren wird von einem Stahlblechband eine Stahlblechplatine ausgeschnitten oder abgeschnitten und diese Stahlblechplatine, welche eben ist, auf die erwähnte Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt, in dem die heiße Stahlblechplatine in einem Hub zu einem Bauteil umgeformt wird, wobei durch das Anliegen des heißen Bleches am verhältnismäßig kühleren Umformwerkzeug am Ende der Umformung bei geschlossenem Werkzeug die Wärme aus dem Blech mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit in das Werkzeug abgeleitet wird. Aus der heißen Platine erhält man also durch Warmumformung in Kombination mit Härtung ein gehärtetes Stahlblechbauteil.
Das zweite Verfahren sieht vor, aus einem Stahlband eine ebene Stahlblechplatine auszuschneiden oder abzuschneiden und diese Stahlblechplatine in einem herkömmlichen, insbesondere mehrstufigen Umformprozess, üblicherweise hauptsächlich durch eine Kombination von Tiefziehen, Beschneiden und/oder Nachformen zu einem Stahlblechvorbauteil umzuformen. Dieses Vorbauteil wird anschließend auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt und das erhitzte Vorbauteil in ein Werkzeug eingelegt, wobei das Werkzeug die Kontur des Vorbauteils bzw. des Endbauteils besitzt und in diesem Werkzeug unter Beibehaltung der Form des Vorbauteils oder unter weitgehender Beibehaltung der Form des Vorbauteils, das Vorbauteil bei geschlossenem Werkzeug durch Anliegen der Werkzeugflächen an dem Vorbauteil dadurch abschreckgehärtet wird, dass die Wärme in das Werkzeug abgeleitet wird. Aus dem heißen Vorbauteil erhält man also durch Härtung ein gehärtetes Stahlblechbauteil.
Das erste Verfahren wird auch als Presshärten oder direkter Prozess bezeichnet, das zweite Verfahren wird auch als Formhärten oder indirekter Prozess bezeichnet.
In beiden Verfahren lassen sich beschichtete Stahlbleche zu gehärteten Stahlbauteilen verarbeiten. Insbesondere ist es bekannt, in beiden Verfahren verzinkte Stahlbleche zu verwenden. Besonders auszeichnen können sich hier Legierungen auf Basis von Zink, das heißt mit Zink als Element mit dem höchsten Anteil in Gewichtsprozent in der Beschichtung. Beispielsweise kann Zink mit Aluminium, Kupfer, Chrom, Nickel oder anderen Elementen legiert sein. Es ist darüber hinaus bekannt, Beschichtungen auf Basis von Aluminium wie beispielsweise Aluminium-Silizium-Legierungen im ersten Verfahren das heißt beim Presshärten zu verwenden. Wird im folgenden Text von „verzinkt“ bzw. „verzinkten Stahlblechen“ gesprochen, so ist eine Legierung auf Basis von Zink immer mit umfasst.
Bei verzinkten Stahlblechen kommt es während der Wärmebehandlung zum Zwecke des Presshärtens oder während der Wärmebehandlung zum Zwecke des Formhärtens einerseits zu Legierungsreaktionen zwischen dem Zink und dem Stahlsubstrat, andererseits aber auch zu Veränderungen der Oberfläche, bei denen sich an der Oberfläche Oxide aus Zink oder Schichtlegierungselementen, wie Aluminium, oder Elementen, die im Stahl enthalten sind, wie Eisen oder Mangan, bilden können.
Derartige Oberflächen, hier Oxidschichten, können hierbei auch durchaus glasartig ausgebildet sein.
Es ist üblich, dass derartige Oberflächen vor der Auslieferung und insbesondere vor weiteren Verarbeitungsschritten konditioniert und insbesondere gereinigt werden.
Hierfür sind im Stand der Technik unterschiedliche Konditionierungsverfahren entwickelt worden, welche üblicherweise strahlende Verfahren sind, bei denen zum Beispiel mit Trockeneis oder anderen Strahlmedien wie beispielsweise Feststoffen die Oberfläche gestrahlt wird.
Dies wird insbesondere durchgeführt, um Produkteigenschaften hinsichtlich des Schweißens, Lackierens, Klebens und der Korrosion sicherzustellen.
Am häufigsten wird derzeit das sogenannte Schleuderradstrahlen (SRS) eingesetzt, um diese Oberflächen zu konditionieren, wobei auch weitere Methoden bekannt sind, insbesondere Trockeneisreinigung aber auch Gleitschleifen, Honen und andere.
Zur Prüfung der Konditionierungswirkung der angegebenen Verfahren auf die Oberfläche im Rahmen der Qualitätssicherung ist es bekannt, in direkten, zerstörenden und zudem aufwändigen und langwierigen Prüfverfahren die Oberfläche zu testen. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um Lackhaftungstests, Schweißtests, Korrosionstests, Klebehaftungstests und weitere.
Zudem sind auch zerstörungsfreie indirekte und auch kostengünstigere Prüfverfahren bekannt, welche zum Teil auch serienbegleitend durchgeführt werden können. Hierbei werden zum Beispiel der Übergangswiderstandswert gemessen, die Oberfläche mit optischen Grenzmustern verglichen, das Ergebnis eines Klebestreifenabzugstests mit Grenzmustern verglichen oder ein Wischtest durchgeführt.
Hinsichtlich der Beurteilung der Wirkung der Konditionierungsverfahren auf die Oberfläche sind diese indirekten kostengünstigeren Prüfverfahren gegenüber den direkten, zerstörenden und aufwändigen Verfahren in ihrer Aussagekraft jedoch deutlich reduziert. So können beispielsweise Oberflächen von gehärteten Bauteilen niedrige und denen von konditionierten Oberflächen gleichwertige Übergangswiderstandswerte aufweisen ohne dass eine zur Sicherstellung der Bauteilqualität erforderliche Konditionierung der Oberflächen stattgefunden hat. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn Oberflächen von Platinen oder Vorbauteilen kurzen bis mittleren Ofenverweilzeiten zum Zwecke der Austenitisierung ausgesetzt waren.
Aus der DE 40 36 568 C2 ist eine Anlage zum Strahlen und Mattieren von Blechen bekannt, wobei insbesondere großformatige, dünnwandige Bleche mittels eines Strahlguts, wie zum Beispiel Sand, Glasperlen, Metall oder dergleichen bestrahlt und mattiert werden sollen. Hierbei sind wenigstens zwei Strahleinrichtungen vorgesehen, mit denen die in einer senkrechten Bearbeitungsebene befindlichen, zu bearbeitenden Bleche abschnittsweise bestrahlt werden, wobei die Strahleinrichtungen beide gegenüberliegenden Oberflächen der senkrecht angeordneten Bleche an jeweils exakt gegenüberliegenden Teiloberflächen gleichermaßen mit Strahlgut beaufschlagen.
Aus der EP 1 630 244 B2 ist ein pressgehärtetes Produkt und ein Herstellungsverfahren hierfür bekannt, wobei das Produkt auf seiner Oberfläche eine auf Zink basierende Beschichtungsschicht aufweist, welche eine Eisen-Zink-Festlösungsphase umfasst und welche eine Dicke von mindestens 1 µm und höchstens 50 µm aufweist, wobei eine Zinkoxidschicht mit einer durchschnittlichen Dicke von höchstens 2 µm hierauf vorhanden sein soll, welche in einem Verfahrensschritt reduziert werden soll. Die Dicke der Zinkoxidschicht soll durch ein Stahlgussstrahlen und Flüssigkeitshonen reduziert werden.
Aus der DE 10 2007 022 174 B3 ist ein Verfahren zum Erzeugen und Entfernen einer temporären Schutzschicht für eine kathodische Beschichtung bekannt, insbesondere zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils mit einer gut lackierbaren Oberfläche, wobei es sich um eine Zinkschicht handelt, welche an der Oberfläche des Stahlblechs vorhanden ist und in dieser Zinkschicht sauerstoffaffine Elemente in einer Menge von 0,1 - 15 Gew.-% enthalten sind, welche während der Austenitisierung an der Oberfläche der kathodischen Schutzschicht eine dünne Haut aus dem Oxid der sauerstoffaffinen Elemente bilden und diese Oxidschicht nach dem Härten durch das Bestrahlen des Blechbauteils mit Trockeneispartikeln abgesprengt wird.
Aus der DE 10 2010 037 077 B4 ist ebenfalls ein Verfahren zum Konditionieren der Oberfläche gehärteter korrosionsgeschützter Bauteile aus Stahlblech bekannt, wobei zur Konditionierung der Oberfläche des metallischen Überzugs, also der Korrosionsschutzschicht, ein Gleitschleifen durchgeführt wird, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung eine Beschichtung auf Basis von Zink ist und die Oberflächenkonditionierung so durchgeführt wird, dass auf der Korrosionsschutzschicht aufliegende oder anhaftende Oxide abgeschliffen werden und in der Korrosionsschutzschicht vorhandene Zink-Eisen-Phasen angeschliffen und deren Mikroporosität freigelegt wird, die Korrosionsschutzbeschichtung jedoch nicht wesentlich abgeschliffen wird.
Aus der EP 2 233 598 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines beschichtbaren und/oder fügbaren Blechformteils mit einer Korrosionsschutzbeschichtung bekannt, wobei nach dem Durchführen einer Härtung, bei der sich eine temporäre Schutzschicht auf der Korrosionsschutzbeschichtung ausbildet, diese temporäre Schutzschicht zumindest teilweise vom Blechformteil durch Reinigungsstrahlen mit einem abrasiven Strahlmittel und/oder durch mechanisches Reinigen entfernt wird, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung im Wesentlichen erhalten bleiben soll.
Aus der DE 10 2020 105 046 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlflachprodukts und die Verwendung eines solchen Stahlflachprodukts bekannt, wobei das Stahlflachprodukt strahlbehandelt werden soll, wobei das Stahlflachprodukt kontinuierlich relativ zu einer Strahlbehandlungsanlage bewegt wird, die über eine Strahldauer von 0,03 Minuten bis 2 Minuten einen Strahlmittelstrahl gegen mindestens eine Oberfläche des Stahlflachprodukts richtet, wobei das Strahlmittel des Strahlmittelstrahls aus Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von 0,05 - 4 mm besteht und die Auftreffgeschwindigkeit der Partikel mindestens 50 m/sec beträgt, sodass nachdem das Stahlflachprodukt die Beaufschlagungslänge passiert hat, an der dem Strahlmittelstrahl ausgesetzten Oberfläche vorgegebene Rauheitswerte gelten.
Bei den Oberflächen verzinkter Stahlbleche, insbesondere bei den Oxidschichten die sich während der Wärmebehandlung zum Zwecke der Austenitisierung und dabei insbesondere bei mittleren bis längeren Ofenverweilzeiten bilden, ist problematisch, dass diese nicht immer in optimaler Ausprägung vorliegen, wobei insbesondere lose haftende Oxide gesichert entfernt werden müssen oder deren Haftung erhöht werden muss.
Zudem gibt es keine einfachen Prüfmethoden für eine ausreichende Information zu Oberflächenzuständen hinsichtlich der Konditionierungsqualität, z.B. unter dem Mikroskop in der Oberflächendraufsicht oder im Querschliff. Die derzeitigen Verfahren, die mehr oder weniger zuverlässige Informationen liefern, sind zerstörende, aufwändige und langwierige Verfahren, welche für eine serienbegleitende Prüfung ungeeignet sind. Dem gegenüber sind die bekannten zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Qualitätssicherung nicht ausreichend genau und aussagekräftig. Beispielsweise können Bauteile, die ausreichend niedrige Übergangswiderstände aufweisen, nach wie vor zu negativen Ergebnissen führen, beispielsweise beim Korrosionstest, beim Lackhaftungstest, der potentiostatisch-kathodischen Polarisation oder galvanostatischkathodischen Polarisation. Zudem können hier ungewollte Einschränkungen im Verarbeitungsprozess, z.B. ein reduziertes Schweißprozessfenster, auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Konditionierung der Oberfläche eines wärmebehandelten, verzinkten Materials zu schaffen, mit dem eine hohe Oberflächenqualität und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden und welches kostengünstig einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird beim Schleuderradstrahlen eine bestimmte Strahlintensität durch das verwendete Strahlmittel, auch Strahlgut genannt, und/oder durch Anlagenparameter wie beispielsweise Turbinendrehzahl und/oder Durchlaufgeschwindigkeit eingestellt, wobei die Verteilung der Korngrößen des Strahlguts, mit dem gestrahlt wird, mittels Siebanalyse bestimmt bzw. auf einen bestimmten Wertebereich eingestellt wird. Zudem kann an einer bestrahlten Probe durch Beurteilung eines Querschliffs der Erfolg einwandfrei nachgewiesen werden, zusätzlich kann ein bestimmter Bedeckungsgrad bevorzugt durch Oberflächendraufsicht im Auflichtmikroskop ebenfalls ermittelt werden. Durch die Ermittlung und Einstellung der genannten Parameter gelingt es in hervorragender Weise die Oberflächenkonditionierung zu optimieren und an die jeweiligen technischen und produktionstechnischen Gegebenheiten anzupassen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Einstellung der Strahlintensität auf bestimmte Werte einen erheblichen Einfluss auf den Erfolg hat.
Es ist bekannt, die Strahlintensität mittels sogenannter Almen-Teststreifen zu ermitteln. Die aus Federstahl bestehenden Almen-Teststreifen sind in drei verschiedenen Dicken als „N“, „A“ und „C“-Streifen erhältlich, dabei sind „N“-Streifen 0,79 mm, „A“-Streifen 1,29 mm und „C“-Streifen 2,39 mm dick. Die Almen-Teststreifen werden in einen Halter eingespannt, welcher am Probeblech oder am Probebauteil an der zu untersuchenden Position durch z.B. anschweißen befestigt wird und zusammen mit dem Probeblech oder dem Probebauteil mit den jeweils zu untersuchenden Einstellungen einseitig gestrahlt. Dabei wölben sich die Almen-Teststreifen zur gestrahlten Seite hin. Die entstehende Bogenhöhe des Streifens wird mit einer Messuhr gemessen und als Strahlintensität als Wert in mm angegeben. Dabei muss der verwendete Almen-Messstreifen stets mitbenannt werden z.B. Intensität = 0,25 mm A.
Im Stand der Technik werden für wärmebehandelte beschichtete Karosseriebauteile aus Stahlblech beim Schleuderradstrahlen aufgrund von aus Wirtschaftlichkeitsgründen vergleichsweise hoch gewählten Durchlaufgeschwindigkeiten in Kombination mit nicht optimal gewählten Einstellungen vergleichsweise geringe Strahlintensitäten von unter 0,04 mm N Almen erzielt.
Die Almenintensität nach der Erfindung liegt oberhalb von 0,05 mm N vorzugsweise größer 0,10 mm N und weiter bevorzugt größer 0,15 mm N jedoch unter 0,2 mm N. Dementsprechend wird hier der Almen Typ „N“ angewendet in der Klasse 1 mit einer Dicke des Streifens im Falle der Erfindung von 0,79 mm. Klasse 1 definiert die Vorbiegung also die +/- 0,025 mm maximal. Länge und Breite des Streifens betragen 76,1 × 19,0 mm, die Härte bei Typ „N“ beträgt 72,5-76 HRA wobei die Messung nach SAE AMS 2430 durchgeführt wird.
Die Strahlintensität soll nicht zu gering eingestellt sein, damit Oberflächenbereiche ohne bzw. mit schlechter Oxidhaftung gesichert reduziert werden und ausgeprägte, von Oxiden überspannte Hohlräume, sogenannte Dome, die insbesondere bei mittleren bis hohen Ofenverweilzeiten entstehen, gesichert aufgebrochen werden. Dies soll aus Wirtschaftlichkeitsgründen auch bei möglichst hohen Durchlaufgeschwindigkeiten gegeben sein.
Die Strahlintensität soll aber auch nicht zu hoch eingestellt sein, da sich ansonsten die Körner des Strahlguts zu rasch abnutzen und/oder die Bauteile hinsichtlich der gegebenen Maßhaltigkeitsanforderungen unzulässig deformiert werden und/oder die Zink-Eisen-Schicht beschädigt wird.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass beide Anforderungen bei Strahlintensitäten zwischen 0,05 mm N Almen und 0,20 mm N Almen sehr gut erfüllt werden.
Bezüglich des verwendeten Strahlgutes ist es vorteilhaft, wenn ein Anteil von 50 % der Körner mit einer Korngröße von größer oder gleich 0,30 mm vorliegt und die Höchstkorngröße unter 0,70 mm liegt. Eine regelmäßige Siebanalyse ist vorteilhaft, um den Anteil an grobem Korn stets hoch zu halten. Es hat sich gezeigt, dass ein Anteil von > 50 % der Körner mit einer Korngröße von größer oder gleich 0,30 mm zu bevorzugen ist. Dies kann die Oberflächenkonditionierung weiter verbessern.
Als Strahlgut wird bevorzugt Rundkorn anstelle von Kantkorn eingesetzt. Es konnte festgestellt werden, dass sich Rundkorn weniger schnell abnutzt und die Anlage weniger schnell verschleißt.
Hierbei kann grundsätzlich jedes Kornmaterial verwendet werden, solange die Härte des Korns angepasst ist und vorzugsweise zwischen 450 und 520 HV liegt.
Es konnte festgestellt werden, dass mit diesen Einstellungen der Strahlgutverbrauch über die Zeit signifikant niedriger liegen kann als im Stand der Technik.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann beispielhaft vorgesehen sein, dass die Turbinendrehzahl in einem Bereich zwischen 1200 und 2500 U/min liegen kann. Besonders bevorzugt kann die Drehzahl zwischen 1500 und 2000 U/min liegen. Die Schaufelform der Turbinen mit denen das Strahlgut auf die zu konditionierenden Bauteiloberflächen geschleudert wird kann bevorzugt flach gewählt sein, dies kann Vorteile bei der Standfestigkeit der Turbinenschaufeln bieten, da deren Abnützung verringert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann beispielhaft die Durchlaufgeschwindigkeit der Bauteile durch den Strahlungsprozess bei 4 bis 16 m/min liegen. Eine hohe Durchlaufgeschwindigkeit kann die Ausbringung erhöhen.
Dabei haben die Erfinder überraschenderweise festgestellt, dass beispielsweise durch geeignete Wahl des Strahlgutes selbst bei vergleichsweise geringer Turbinendrehzahl und vergleichsweise hoher Durchlaufgeschwindigkeit immer noch eine ausreichend hohe Almenintensität erzielt werden kann.
Der Konditionierungserfolg gestrahlter Proben und/oder Bauteile ist beispielsweise im Querschliff überprüfbar. Hierbei kann zum einen der prozentuale Anteil von Bereichen mit nicht anliegenden bzw. nicht haftenden Oxiden über der Schlifflänge bestimmt werden und zum anderen die Höhe der von Oxiden überspannten Hohlräume gemessen werden. Falls einer der beiden Werte zu hoch liegt oder beide Werte zu hoch liegen, kann dies für insbesondere die Lackhaftung in nachfolgenden Prozessen problematisch sein.
Bevorzugt kann im Querschliff an der Oberfläche der Anteil von Bereichen mit Hohlräumen unter der Oxidschicht, also Bereichen mit nicht anliegenden Oxiden, höchstens 35 % besonders bevorzugt höchstens 15 % der Oberfläche betragen.
Bevorzugt kann der Anteil an anhaftenden Oxiden mindestens 65 % besonders bevorzugt mindestens 85 % der Oberfläche betragen.
Zusätzlich oder alternativ zum prozentualen Anteil nicht anliegender Oxide soll bevorzugt an der Oberfläche am Querschliff je 400 µm Schlifflänge unter der Oxidschicht höchstens ein ausgeprägter Hohlraum höher 10 µm vorliegen.
Die Präparation der Querschliffe ist behutsam vorzunehmen das heißt es soll vorteilhafterweise die Oxidstruktur im Wesentlichen erhalten bleiben und etwaige vorhandene Hohlräume sollen bei der Präparation der Querschliffe nicht gefüllt oder entfernt werden, da ansonsten die zuvor genannten Werte verfälscht werden könnten.
Der Konditionierungserfolg gestrahlter Proben und/oder Bauteile kann über den Bedeckungsgrad, das heißt der Anteil der während des Strahlens mit Strahlgut beaufschlagten Oberfläche bezogen auf die gesamte Oberfläche, überprüft werden. Der Bedeckungsgrad kann alternativ oder zusätzlich mittels Lichtmikroskopie oder mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) in der Oberflächendraufsicht ermittelt werden.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:

1: Almen N Strahlintensitäten verschiedener Kombinationen von Turbinendrehzahl und Durchlaufgeschwindigkeit nach Stand der Technik und nach der Erfindung;
2: Korngrößenverteilungen des Strahlguts nach der Erfindung und nach Stand der Technik;
3: die Verlustrate an Strahlgut abhängig von der Anzahl der Strahlzyklen nach der Erfindung und nach Stand der Technik;
4: einen Querschliff zeigend eine wärmebehandelte Oberfläche mit prozentualer Auswertung von Bereichen mit nicht anhaftenden Oxiden außerhalb der Toleranz;
5: einen Querschliff zeigend eine wärmebehandelte Oberfläche mit prozentualer Auswertung von Bereichen mit nicht anhaftenden Oxiden innerhalb der Toleranz;
6: einen Querschliff zeigend eine wärmebehandelte Oberfläche ohne Bereiche nicht anhaftender Oxide innerhalb der Toleranz und mit aufgefüllten Kavitäten;
7: einen Querschliff zeigend eine wärmebehandelte Oberfläche mit ausgeprägten, von Oxiden überspannten Hohlräumen, sogenannte Domen;
8: eine Gegenüberstellung von mikroskopischen Draufsichten zeigend einen geeigneten Bedeckungsgrad von 64 % nach der Erfindung und einen ungeeigneten Bedeckungsgrad von 35 %;
9: einen Schliff zeigend einen verzinkten Stahl 22MnB5 mit einer Zinkauflage Z140 vor dem Härten;
10: eine Gegenüberstellung von Oberflächenbildern zeigend einen verzinkten Stahl 22MnB5 mit einer Zinkauflage Z140, wärmebehandelt, konditioniert und mittels kathodischer Tauchlackierung (KTL) beschichtet; mit geeigneter Konditionierung nach 10 Wochen VDA-alt ohne Rostpunkte und mit ungeeigneter Konditionierung nach 10 Wochen VDA-alt mit Rostpunkten, verursacht durch Kraterbildung im KT-Lack;
11: einen Krater in der KT-Lackschicht (vor 10 Wochen VDA-alt) in Draufsicht und im Profil;
12: eine Krater in der KT-Lackschicht (vor 10 Wochen VDA-alt) im Querschliff;

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Annahmen eine vollständige Entfernung der Oxide zur Sicherstellung einer guten Oberflächenqualität für nachfolgende Prozesse nicht erforderlich ist. Überraschenderweise hat sich auch ergeben, dass ein Zusammenschieben und Verdichten von Oxiden in Kavitäten der Oberfläche nicht nachteilig ist, sondern im Gegenteil, eine Einebnung der Oberfläche durch das Schleuderradstrahlen in dieser Weise von Vorteil ist, da dadurch die Neigung zur Bildung von Kratern in der KT-Lackschicht ebenfalls verringert wird.
Nach der Erfindung gelingt dies, wenn die Strahlintensität präzise zwischen 0,05 mm N und 0,20 mm N als Almenintensität gewählt wird.
Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn bezüglich der Körnung des Strahlgutes mittels Siebanalyse die Körnung so eingestellt wird, dass zumindest 50 % der Körner eine Größe von zumindest 0,3 mm bis maximal 0,7 mm besitzen.
Im Ergebnis soll im Querschliff an der gestrahlten Probe ein Bild vorliegen, bei dem Bereiche mit nicht anhaftenden Oxiden höchstens 35 % der Schlifflänge betragen, und höchstens ein einziger ausgeprägter von Oxiden überspannter Hohlraum mit einer Gesamthöhe von mehr als 10 µm auf der Schlifflänge von 400 µm vorliegt.
Hierbei wird vorteilhafterweise ein Bedeckungsgrad von zumindest 50 % angestrebt. Der Bedeckungsgrad ist hierbei definiert als der Anteil der Oberfläche am Bauteil, welcher tatsächlich mit Strahlmedium beaufschlagt wurde bezogen auf die gesamte Oberfläche. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass ein Bedeckungsgrad von 100 % nachteilig ist und das Optimum überraschenderweise bei einem Bedeckungsgrad zwischen 60 % und 90 % liegt.
In 2a sind Korngrößenverteilungen nach der Erfindung gezeigt, wobei der Anteil an Körnern von 0,3 mm bis 0,6 mm Durchmesser mehr als 50 % beträgt. Insofern muss eine entsprechende Abtrennung der abgenutzten Körner und eine Nachführung frischer Körner vorgenommen werden, um diesen Anteil im laufenden Betrieb aufrecht zu erhalten.
In 3 sind die Verlustraten des Strahlgutes aus Laborversuchen aufgezeigt, wobei man erkennt, dass im Stand der Technik (rechts) die Verlustraten, hier dargestellt als die im Verfahren abgetrennte Feinfraktion (Korngröße < 0,15 mm), welche durch Abnutzung des Strahlgutes entsteht, deutlich höher sind als bei der Erfindung (links), bei der aufgrund der Wahl des Strahlgutes ganz offensichtlich eine erhöhte Stabilität gegen Verschleiß vorhanden ist. Dabei wurde der Versuch so lange durchgeführt, bis 100 % des ursprünglichen Strahlgutes verbraucht wurde, das heißt das ursprüngliche Einsatzgewicht verbraucht wurde. Für den Versuch wurde nach 500 Zyklen das verbrauchte Strahlgut durch frisches Strahlgut ersetzt. Man kann erkennen, dass beim erfindungsgemäßen Beispiel 6000 Zyklen bis zum Verbrauch von 100 % des ursprünglichen Strahlgutes durchgeführt werden konnten wohingegen beim Versuch nach dem Stand der Technik bereits nach 4500 Zyklen dieser Wert erreicht wurde. Dies entspricht einer Verlängerung der Einsatzdauer um 1/3.
Dies ist auch auf die erfindungsgemäße bevorzugte Verwendung eines Rundkorns zurückzuführen.
In 4 erkennt man den Querschliff eines Stahlsubstrats mit einer aufliegenden Zink-Eisen-Lage und darüber Bereiche mit anhaftenden sowie Bereiche mit nicht anhaftenden Oxiden und insgesamt eine vergleichsweise zerklüftete Oberfläche. In den Bereichen mit nicht anhaftenden Oxiden, zum Zweck der prozentualen Auswertung im unteren Bildbereich durch schwarze Blöcke gekennzeichnet, sind teilweise ausgeprägten Hohlräume unter den Oxiden, sogenannte Dome, zu erkennen. Die Bereiche mit nicht anhaftenden Oxiden betragen hierbei nach Aufsummierung 51 % der Schlifflänge und damit mehr als 35 % der Schlifflänge. Eine solche Oberfläche ist für die nachgelagerten Bearbeitungsschritte nicht in Ordnung.
In 5 ist eine vergleichbare Schliffansicht gezeigt, bei der deutlich weniger Bereiche mit nicht anhaftenden Oxiden zu erkennen sind, so dass eine solche Oberfläche in Ordnung wäre.
In 6 ist eine erfindungsgemäß optimierte, konditionierte Oberfläche gezeigt. Man erkennt, dass diese Oberfläche recht wenig zerklüftet ist, wobei durch das erfindungsgemäß eingestellte Schleuderradstrahlen hier Oxide, welche gegebenenfalls auch durch das Schleuderradstrahlen abgelöst wurden oder locker aufsaßen, in Kavitäten und Zerklüftungen der Oberfläche geschoben und dort verdichtet wurden und insofern eine glatte bzw. vergleichsweise glatte Oberfläche geschaffen wurde.
In 7 erkennt man im Querschliff ausgeprägte, von Oxiden überspannten Hohlräume, sogenannte Dome.
In 8a ist in der mikroskopischen Draufsicht eine Oberfläche gezeigt, welche einen Bedeckungsgrad von 63 % aufweist, das bedeutet, dass 63 % der Oberfläche von Strahlgut getroffen wurde. Dies ist eine gute Oberfläche ähnlich der, die in 6 (dort im Querschliff) zu sehen ist.
In 8b dagegen ist in der mikroskopischen Draufsicht eine Oberfläche gezeigt, die nur zu 33 % mit Strahlgut getroffen wurde, was für gute Gebrauchseigenschaften nicht ausreicht. Man kann deutlich erkennen, dass der Anteil an gar nicht getroffenen Bereichen sehr hoch ist (67 %). Werden Bauteile mit solchen Oberflächen KT-Iackiert, so kann in diesen Bereichen die Lackhaftung schlecht sein, entweder weil dort Al-Oxide vorliegen, die sich schlecht phosphatieren lassen und/oder weil dort Oxide nicht flächig mit der metallischen Schicht verbunden sind und der Lack dann samt diesen Oxiden enthaftet. Zusätzlich kann in diesen Bereichen die Neigung zur Kraterbildung im KT-Lack erhöht sein.
In 9 ist ein Schliff gezeigt, in dem ein verzinkter, härtbarer Stahl, welcher mit einer Zinkauflage Z140 versehen ist, vor dem Härten zu erkennen ist.
Bei nicht erfindungsgemäßer Behandlung können, wie zuvor beschrieben, schlecht haftende Oxide auf der Oberfläche verbleiben bzw. Krater in der KTL-Lackschicht entstehen die diese lokal schwächen. Die Folgen derartiger Krater oder anderer Oberflächenfehler sind in 10a und 10b gezeigt. Hier erkennt man, dass an diesen Stellen Korrosion zuerst beginnt, wenn die Konditionierung nicht erfindungsgemäß durchgeführt wurde.
10a zeigt das Oberflächenbild nach einem Korrosionstest VDA 621-415 ohne Rostpunkte für ein Blech, bei dem die die Konditionierung erfindungsgemäß durchgeführt wurde.
Dem gegenüber zeigt 10b das Oberflächenbild nach dem gleichen Korrosionstest für ein Blech, das nicht erfindungsgemäße konditioniert wurde. Es ist offensichtlich, dass es ohne eine entsprechende Konditionierung der Oberfläche zu einer deutlich vergrößerten Schädigung durch Rostpunkte kommt.
Die 11 bis 12 zeigen entsprechende, die KTL-Lackschicht lokal schwächende, Krater, die ohne eine ausreichende Oberflächenkonditionierung entstehen. Ein entsprechender Querschnitt ist in Schliffansicht in 12 gezeigt.
Dies zeigt die Notwendigkeit die Oberfläche zu konditionieren, wobei die erfindungsgemäße Oberflächenkonditionierung die Oberfläche unabhängig von der Ofenverweilzeit so verbessert, dass die gezeigten Nachteile sowohl bei nachfolgenden Bearbeitungsschritten aber auch bei korrosiver Beaufschlagung nicht eintreten.
Hierbei hat sich herausgestellt, dass die Konditionierung der Oberfläche mit Schleuderradstrahlen innerhalb der angegebenen Parameter zu einer hohen Flexibilisierung führt, denn unabhängig von der Ofenverweilzeit wird die Konditionierung immer zuverlässig erreicht, ohne die Oberfläche zu schädigen. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil in der Praxis die Ofenverweilzeiten aufgrund von in realen Prozessen auftretenden Verzögerungen oder Stopps variieren.
Somit schafft die Erfindung ein Verfahren zum Konditionieren von Oberflächen, welches zuverlässig, einfach und kostengünstig durchführbar ist und zu einer deutlichen Verringerung des Ausschusses und zu einer höheren Qualität führt.
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

DE 4036568 C2 [0022]
EP 1630244 B2 [0023]
DE 102007022174 B3 [0024]
DE 102010037077 B4 [0025]
EP 2233598 B1 [0026]
DE 102020105046 B4 [0027]

Claims

Verfahren zum Konditionieren der Oberflächen von wärmebehandelten, verzinkten oder legierungsverzinkten Stahlblechbauteilen, wobei entweder ein Stahlblech zumindest teilbereichsweise zum Zwecke der Austenitisierung erhitzt und anschließend zu einem Stahlblechbauteil umgeformt und mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Abkühlrate abgekühlt wird, oder ein Stahlblech erst zu einem Stahlblechbauteil umgeformt und anschließend zumindest teilbereichsweise zum Zwecke der Austenitisierung erhitzt wird und nach dem zumindest teilbereichsweisen Austenitisieren das Stahlblechbauteil mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Abkühlrate abgekühlt wird und in beiden Fällen anschließend die Oberfläche des Stahlblechbauteils einem Schleuderradstrahlen unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleuderradstrahlen mit einer Almenintensität zwischen 0,05 mm N und 0,20 mm N durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass größer oder gleich 50 % des Strahlgutes Korngrößen größer oder gleich 0,30 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Korn des Strahlgutes ein Rundkorn verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Korn des Strahlgutes ein Korn mit einer Härte von zwischen 400 HV und 550 HV, insbesondere zwischen 450 HV und 520 HV verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Almenintensität zwischen 0,1 mm N und 0,15 mm N gestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedeckungsgrad, das heißt der Anteil der während des Strahlens mit Strahlgut beaufschlagten Fläche zwischen 50 % und 95 %, vorzugsweise zwischen 60 % und 90 % bezogen auf die gesamte gestrahlte Oberfläche beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen so durchgeführt wird, dass die im Querschliff sichtbaren Bereiche, in denen die Oxidschicht nicht anhaftet, höchstens 35 % bevorzugt 15 % der Schlifflänge betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an anhaftenden Oxiden mindestens 65 % bevorzugt mindestens 85 % der Oberfläche beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen so durchgeführt wird, dass an der Oberfläche am Querschliff je 400 µm Schlifflänge höchstens ein einziger Hohlraum unter der Oxidschicht höher als 10 µm vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlgut keine Körner größer 0,7 mm Durchmesser enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinendrehzahl in einem Bereich von 1200 U/min bis 2500 U/min, bevorzugt in einem Bereich von 1500 U/min bis 2000 U/min liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlaufgeschwindigkeit der Bauteile durch den Strahlungsprozess bei 4 m/min bis 16 m/min liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblechbauteil oder die Stahlblechplatine mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%): Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,15 bis 0,3 Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 Nickel bis 0,9, Titan bis 0,2 vorzugsweise 0,02 bis 0,1 Vanadin bis 0,2 Wolfram bis 0,2, Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01 Rest Eisen und Verunreinigungen.
Gehärtetes Stahlbauteil mit einer Beschichtung auf Basis von Zink, wobei das Stahlbauteil eine Oberfläche besitzt, die durch Schleuderradstrahlen nach einem der vorhergehenden Ansprüche konditioniert ist.
Gehärtetes Stahlbauteil nach Anspruch 14, wobei am Querschliff je 400 µm Schliffänge höchstens ein einziger Hohlraum unter der Oxidschicht höher als 10 µm vorliegt.