DE60119826T2 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, Umformung durch Tiefziehen, aus gewalztem insbesondere warmgewalztem und beschichtetem Stahlblech - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, Umformung durch Tiefziehen, aus gewalztem insbesondere warmgewalztem und beschichtetem Stahlblech Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realisierung eines Werkstücks mit sehr hohen mechanischen Eigenschaften, das durch Warmtiefziehen ausgehend von einem Bandstahlblech in Form gebracht worden ist, welcher gewalzt und insbesondere warmgewalzt, und mit einem Metall oder einer metallischen Legierung beschichtet ist, welche einen Schutz der Oberfläche und des Stahls sicherstellen.
  • Stahlbleche werden, bevor sie einer Umformung bei hoher Temperatur und/oder einer Wärmebehandlung unterzogen werden, nicht in beschichteter Form zugeführt, und zwar aus Gründen der Haltbarkeit der Beschichtung bei der Wärmebehandlung, wobei die Wärmebehandlung von Stählen im allgemeinen bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, die gut über 700°C liegen, erfolgt. Tatsächlich hat man bei einer auf einer metallischen Oberfläche abgeschiedenen Beschichtung aus Zink bisher angenommen, daß sie bei Erwärmung auf über der Schmelztemperatur von Zink liegende Temperaturen schmelzen, abfließen und die Warmverformungswerkzeuge verschmutzen kann und bei einer raschen Abkühlung sich verschlechtern kann.
  • Deshalb wird die Beschichtung an dem fertigen Werkstück vorgenommen, wofür eine sorgfältige Reinigung der Oberflächen und der hohlen Bereiche notwendig ist. Diese Reinigung erfordert die Verwendung von Säuren oder Basen, deren Rückgewinnung und Aufbewahrung eine bedeutende finanzielle Belastung darstellen und Gefahren für das Bedienungspersonal und die Umwelt darstellen. Darüber hinaus muß die Wärmebehandlung unter einer kontrollierten Atmosphäre durchgeführt werden, um jegliche Entkohlung und Oxidation des Stahls zu vermeiden. Schließlich beschädigt im Fall der Warmumformung der Zunder wegen seiner abrasiven Eigenschaft die Umformungswerkzeuge, was die Qualität der erhaltenen Werkstücke hinsichtlich ihrer Maßhaltigkeit oder ihres Aussehens vermindert oder zu häufigen und kostspieligen Reparaturen der Werkzeuge zwingt. Schließlich müssen die solchermaßen erhaltenen Werkstücke, um ihre Beständigkeit gegen Korrosion zu erhöhen, eine kostspielige Nachbehandlung erhalten, deren Anwendung schwierig, sogar unmöglich ist, insbesondere im Fall von Werkstücken, die Hohlräume aufweisen. Die Nachbeschichtungen von Stählen mit sehr hohen mechanischen Eigenschaften haben ebenso den Nachteil, Gefahren der Wasserstoffversprödung in den Verfahren der Elektroverzinkung zu erzeugen oder die mechanischen Eigenschaften dieser Stähle in den Verfahren der Feuerverzinkung der vorher umgeformten Werkstücke zu verändern.
  • Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Anwendern gewalzte Stahlbleche von 0,2 mm bis ungefähr 4 mm Dicke vorzuschlagen, die insbesondere nach Warmwalzen, und vor eine Warmumformung zu erfahren, beschichtet worden sind, sowie ein Verfahren zur Realisierung eines Werkstücks durch Warmumformung ausgehend von diesen beschichteten Stahlblechen, wobei die Temperaturerhöhung ohne Entkohlung des Stahls des Blechs, ohne Oxidation der Oberfläche dieses Blechs, vor, während und nach der Warmumformung sichergestellt ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Realisierung eines Werkstücks mit sehr hohen mechanischen Eigenschaften, das durch Tiefziehen ausgehend von einem Bandstahlblech umgeformt worden ist, welcher gewalzt, insbesondere warmgewalzt, und mit einem Metall oder einer metallischen Legierung aus Zink oder einer Legierung auf der Basis von Zink beschichtet ist, welche einen Schutz der Oberfläche und des Stahls sicherstellen, dadurch gekennzeichnet, daß:
    • – man das Blech zuschneidet, um einen Blechzuschnitt zu erhalten,
    • – man einen Warmtiefziehvorgang ausgehend von dem Blechzuschnitt ausführt, um das Werkstück zu erhalten,
    • – man vor dem Tiefziehen an der Oberfläche eine intermetallische Legierungsverbindung realisiert, die einen Schutz gegen die Korrosion, gegen die Entkohlung des Stahls sicherstellt, wobei die intermetallische Verbindung eine Schmierfunktion sicherstellen kann, und die Verbindung durch eine Transformation der Beschichtung in eine intermetallische Legierung durch eine Temperaturerhöhung über 700°C realisiert wird,
    • – man durch Zuschneiden die für den Tiefziehvorgang notwendigen Blechüberschüsse entfernt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
    • – kühlt man am Ende des Warmtiefziehvorgangs das durch Tiefziehen umgeformte Werkstück ab, um erhöhte mechanische Härteeigenschaften des Stahls und eine erhöhte Oberflächenhärte der Beschichtung herbeizuführen.
  • Die anderen kennzeichnenden Merkmale der Erfindung sind:
    • – das Metall oder die metallische Legierung der Beschichtung ist Zink oder eine Legierung auf der Basis von Zink mit einer Dicke, die zwischen 5 μm und 30 μm liegt.
    • – die intermetallische Legierung ist eine Verbindung auf der Basis von Zink-Eisen oder auf der Basis von Zink-Eisen-Aluminium.
    • – das durch Tiefziehen erhaltene Werkstück wird mit einer Geschwindigkeit, die höher als die kritische Härtegeschwindigkeit ist, abgekühlt, um eine Abschreckhärtung zu erfahren.
  • Die folgende Beschreibung und die beigefügten Figuren erleichtern das Verständnis der Erfindung.
  • 1 ist ein Prinzipschema der Erfindung.
  • 2 ist ein Prinzipschema eines anderen Verfahrens, das nicht Bestandteil der Erfindung ist.
  • Die 3a und 3b stellen querschnittliche Fotografien eines Werkstücksbereichs vor und nach Wärmebehandlung dar, welcher eine erfindungsgemäß realisierte Zinkbeschichtung aufweist.
  • Die 4a und 4b stellen querschnittliche Fotografien eines Werkstücksbereichs vor und nach Wärmebehandlung dar, welcher eine erfindungsgemäß realisierte Zinkaluminiumbeschichtung aufweist.
  • Das im Schema von 1 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren besteht, ausgehend von einem Blech aus einem Stahl für Wärmebehandlung und Warmumformung, das insbesondere warmgewalzt ist, und mit Zink oder einer Legierung auf der Basis von Zink beschichtet ist, in der Realisierung eines Werkstücks, das mittels eines Werkzeugs wie einer Tiefziehpresse warmumgeformt ist.
  • Die Beschichtung aus Zink oder Zinklegierung ist derart gewählt, daß das Basisblech auf der Rolle gegen Korrosion geschützt ist.
  • Entgegen den anerkannten Auffassungen bildet die Beschichtung bei einer Wärmebehandlung oder einer Temperaturerhöhung für die Warmumformung eine Schicht, die sich mit dem Stahl des Bandes legiert und in diesem Augenblick eine mechanische Widerstandsfähigkeit annimmt, durch welche die Schmelze des Beschichtungsmetalls vermieden wird. Die gebildete Verbindung zeigt eine große Beständigkeit gegen die Korrosion, gegen die Abrasion, gegen die Abnutzung und gegen die Ermüdung. Die Beschichtung führt zu keiner Veränderung der Umformbarkeitseigenschaften des Stahls und erlaubt so eine große Vielfalt der Kalt- und Warmumformung.
  • Die Verwendung von Zink oder einer Zinklegierung erzeugt außerdem einen galvanischen Schutz der Ränder, wenn der Blechzuschnitt oder das Werkstück Schnitte aufweist.
  • Nach dem Warmwalzen kann das Band dekapiert und kaltgewalzt werden, bevor es beschichtet wird. In dem Fall, daß das Blech kaltgewalzt wird, kann es geglüht werden, bevor es beschichtet wird.
  • Man kann das gewalzte Blech beispielsweise mit Zink oder Zinkaluminiumlegierungen beschichten.
  • In einem anderen Verfahren, das nicht Bestandteil der Erfindung ist und in dem Schema von 2 dargestellt ist, kann das Blech zum Erhalt des Werkstücks kalt tiefgezogen werden. Das erhaltene Werkstück wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, um ihm erhöhte mechanische Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise ermöglicht ein Basisstahl, der eine Bruchfestigkeit Rm von ungefähr 500 MPa aufweist, den Erhalt von wärmebehandelten Werkstücken, die einen Stahl mit einer Festigkeit Rm von mehr als 1500 MPa aufweisen.
  • Für die Warmumformung oder für die Wärmebehandlung des Werkstücks wird das Blech einer vorzugsweise zwischen 700°C und 1200°C liegenden Temperaturerhöhung in einem Ofen unterzogen, der infolge der durch die Beschichtung gebildeten Oxidationssperre eine Atmosphäre enthält, die keiner Kontrolle mehr bedarf. Bei der Erhöhung der Temperatur verwandelt sich die Beschichtung auf der Basis von Zink in eine legierte Oberflächenschicht, die in Abhängigkeit von der Temperaturbehandlung verschiedene Phasen enthält und eine große Härte aufweist, welche 600 HV 100g überschreiten kann.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man Bleche verwenden, deren Dicke zwischen 0,2 mm und 4 mm liegt, gute Umformungseigenschaften aufweisen sowie eine gute Korrosionsbeständigkeit.
  • Die beschichtet zugeführten Bleche zeigen eine sehr große Korrosionsbeständigkeit während den Temperaturerhöhungen, der Umformung, den Wärmebehandlungen und bei der Benutzung der fertigen, umgeformten Formwerkstücke.
  • Die Anwesenheit der Beschichtung bei Warmumformungen ermöglicht es darüber hinaus, die Korrosion und die Entkohlung des Basisstahls zu vermeiden. Dies beinhaltet einen unbestreitbaren Vorteil im Fall einer Warmumformung, beispielsweise in einer Tiefziehpresse. Tatsächlich vermeidet die gebildete intermetallische Legierung die Zunderbildung, die Abnutzung der Werkzeuge durch den Zunder, und ermöglicht dadurch eine Verlängerung der mittleren Lebensdauer dieser Werkzeuge. Es ist darauf hingewiesen worden, daß die warmgebildete intermetallische Legierung eine Schmierfunktion bei hoher Temperatur aufweist. Darüber hinaus erlaubt die Schutzwirkung der intermetallischen Legierung gegen die Entkohlung die Verwendung eines Hochtemperaturofens über 900°C mit einer nicht-kontrollierten Atmosphäre, und dies sogar für Heizzeiten von mehreren Minuten.
  • Am Ausgang des Ofens ist es nicht mehr notwendig, das erhaltene Werkstück zu dekapieren, woraus sich eine Einsparung infolge des Wegfalls des Dekapierbades für die fertigen Werkstücke ergibt.
  • Wegen der Eigenschaften der Beschichtung nach Temperaturerhöhung haben die erhaltenen Werkstücke eine erhöhte Beständigkeit gegen die Ermüdung, die Abnutzung, die Abrasion und die Korrosion, einschließlich am Rand wegen des galvanischen Verhaltens des Zinks mit dem Stahl. Darüber hinaus ist die Beschichtung vor und nach Temperaturerhöhung schweißbar.
  • Der Stahl des Blechs stellt infolge von Abschreckhärtung erhöhte mechanische Eigenschaften des nach der Umformung erhaltenen Werkstücks sicher, wobei die in eine intermetallische Legierung warm umgewandelte Beschichtung ihrerseits infolge ihrer Schmiereigenschaften und Widerstandseigenschaften gegen Reibungen eine Verbesserung der Umformung, insbesondere im Bereich des Warmtiefziehens, sicherstellt.
  • Beispiel 1: Beschichtung von Zink auf Stahl.
  • In einem Ausführungsbeispiel verwendet man ein warmgewalztes Bandblech aus Stahl der folgenden Gewichtszusammensetzung:
    • Kohlenstoff: 0,15% bis 0,25%,
    • Mangan: 0,8% bis 1,5%,
    • Silizium: 0,1% bis 0,35%,
    • Chrom: 0,01% bis 0,2%,
    • Titan: weniger als 0,1%,
    • Aluminium: weniger als 0,1%,
    • Phosphor: weniger als 0,05%,
    • Schwefel: weniger als 0,03%,
    • Bor: 0,0005% bis 0,01%.
  • Man realisiert ein Werkstück ausgehend von kaltgewalztem Stahlblech mit 1 mm Dicke, das beidseits kontinuierlich mit einer Schichtdicke von ungefähr 10 μm verzinkt ist. Man austenitisiert das Blech bei 950°C vor Warmumformung und Abschreckung im Werkzeug, wobei die Beschichtung bei der Umformung als Schmiermittel wirkt, zusätzlich zu ihren Funktionen des Schutzes gegen die Kalt- und Warmkorrosion und gegen die Entkohlung. Bei der Abschreckhärtung behindert die legierte Beschichtung den Wärmeentzug durch das Werkzeug nicht und kann ihn begünstigen. Nach Umformung und Abschreckhärtung ist es nicht mehr nötig, das Werkzeug zu dekapieren oder zu schützen, wobei die Basisbeschichtung den Schutz während der ganzen Dauer des Verfahrens sicherstellt.
  • Nach der Warmumformung und der dadurch erfolgten Wärmebehandlung zeigt das realisierte Werkstück ein graumattes Aussehen ohne Schlieren oder Bläschen, ohne Schuppung oder Risse, und ohne Zunder am Schnittrand zu zeigen.
  • Beobachtungen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigen an der Oberfläche und im Schnitt, daß die Beschichtung eine homogene Struktur und Textur bewahrt und daß sich die Legierungsbildung Fe-Zn in weniger als 5 Minuten bei 950°C manifestiert.
  • Wie in den 3a und 3b, die querschnittlich die Beschichtung vor bzw. nach Wärmebehandlung zeigen, vergleichend dargestellt ist, enthält die Beschichtung eine Diffusionsgrenzfläche des Zn von einer Dicke zwischen 5 und 10 μm, und eine von Legierungsknötchen Zn-Fe in einer Zinkmatrix gebildete Schicht, deren Dicke zwischen 10 und 15 μm liegt.
  • Korrosionsversuche bei Feuchtigkeit und Temperatur gemäß der Norm DIN 50 017 zeigen, daß die erfindungsgemäße Beschichtung einen ausgezeichneten Korrosionsschutz nach 30 Zyklen sicherstellt, wobei die Oberflächen der Werkstücke ihr graues Aussehen behalten.
  • Die nachstehende Tabelle 1 zeigt den Massenverlust durch Korrosion nach 500 und 1000 Stunden Salzsprühnebel für einen nichtbeschichteten Referenzstahl, für einen ohne Wärmebehandlung verzinkten Referenzstahl und einen Stahl gemäß zwei Ausführungsformen der Erfindung.
  • Tabelle 1.
    Figure 00070001
  • Wie man sieht, ist die Beschichtung nach Wärmebehandlung gegen den Salzsprühnebel sehr beständig. Außerdem läßt sich diese aus Zink und Eisen zusammengesetzte Oberfläche in klassischen Oberflächenbehandlungsbädern vom Typ dreikationische Phosphatierung phosphatieren. Die Korrosionsversuche, die nach Phosphatierung und Kataphorese-Lackierung durchgeführt worden sind, zeigen ausgezeichnete Ergebnisse. Die Zink-Eisen-Legierungsschicht stellt außerdem einen galvanischen Schutz der Ränder vom kathodischen Schutztyp dar.
  • Beispiel 2: Beschichtung von Zinkaluminium auf Stahl.
  • Auf ein Blech von ungefähr 1 mm wird eine Beschichtung von 10 μm aufgebracht. Diese Beschichtung ist aus 50 bis 55% Aluminium und aus 45 bis 50% Zink mit möglicherweise einer kleinen Menge Silizium zusammengesetzt.
  • Das Aussehen dieser Beschichtung im Querschnitt nach Warmumformung ist in den 4a und 4b dargestellt.
  • Bei der Warmumformung gehen das Zink, das Aluminium und das Eisen eine Legierung ein, um eine homogene und anhaftende Zink-Aluminium-Eisen-Beschichtung zu bilden. Die Korrosionsversuche zeigen, daß diese Legierungsschicht einen sehr guten Schutz gegen die Korrosion sicherstellt.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Realisierung eines Werkstücks mit sehr hohen mechanischen Eigenschaften, das durch Tiefziehen ausgehend von einem Stahlblechband umgeformt worden ist, welches gewalzt, insbesondere warm gewalzt, und mit einem Metall oder einer metallischen Legierung aus Zink oder einer Legierung auf der Basis von Zink beschichtet ist, welche einen Schutz der Oberfläche und des Stahls sicherstellen, wobei man in dem Verfahren – das Blech zuschneidet, um einen Blechzuschnitt zu erhalten, – einen Warmtiefziehvorgang ausgehend von dem Blechzuschnitt ausführt, um das Werkstück zu erhalten, – vor dem Tiefziehen an der Oberfläche eine intermetallische Legierungsverbindung realisiert, die einen Schutz gegen die Korrosion, gegen die Entkohlung des Stahls sicherstellt, wobei die intermetallische Verbindung eine Schmierfunktion sicherstellen kann, und die Verbindung durch eine Transformation der Beschichtung in eine intermetallische Legierung durch eine Temperaturerhöhung über 700°C realisiert wird, – durch Zuschneiden die für den Tiefziehvorgang notwendigen Blechüberschüsse entfernt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man am Ende des Warmtiefziehvorgangs das durch Tiefziehen umgeformte Werkstück abkühlt, um erhöhte mechanische Härteeigenschaften des Stahls und eine erhöhte Oberflächenhärte der Beschichtung herbeizuführen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder die metallische Legierung der Beschichtung Zink oder eine Legierung auf der Basis von Zink mit einer Dicke, die zwischen 5 μm und 30 μm liegt, ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Legierung eine Verbindung auf der Basis von Zink-Eisen oder von Zink-Eisen-Aluminium ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Tiefziehen erhaltene Werkstück mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit abgekühlt wird, um eine Abschreckhärtung zu erfahren.
DE60119826T 2000-04-07 2001-04-04 Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, Umformung durch Tiefziehen, aus gewalztem insbesondere warmgewalztem und beschichtetem Stahlblech Expired - Lifetime DE60119826T2 (de)

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