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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Aluminium beschichtetes
Strukturelement und ein diesbezügliches
Herstellungsverfahren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf ein Aluminium beschichtetes Strukturelement, wie ein
für Kraftfahrzeuge
verwendetes Strukturelement, das durch die Anwendung von Wärmebehandlung
und eines Umformvorgangs auf ein Aluminium beschichtetes Stahlblech
hergestellt wird, und mit einer Aluminiumschicht aus einer Al-Si-Fe
Legierung zur Verbesserung der Umformbarkeit, der Schweißfähigkeit
und der Korrosionsbeständigkeit
beschichtet ist.
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Eine
veröffentlichte
japanischen Patentanmeldung Veröffentlichungsnr.
2000-204463 zeigt ein Aluminium-schmelztauch-beschichtetes
Stahlblech, das für
Kraftfahrzeuge als Kraftstofftank, Auspufftopf, Hitzeschildplatte,
etc. unter dem Gesichtspunkt ausgezeichneten Korrosionswiderstands
auf Grund des Oxidfilms, und geringerer Belastung der Umwelt durch
die Nichteinbeziehung von Schwermetall wie Blei, verwendet werden
kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
in einem Aluminium-schmelztauch-beschichteten Stahlblech an einer
Grenzfläche
mit einem Stahlsubstrat enthaltenen harte Al-Fe Legierungsschicht
ist in der Umformbarkeit mehr der weniger problematisch. Zudem tendiert
die Aluminiumschicht dazu, in einem Umformvorgang Risse zu erleiden,
und erfordert somit manchmal eine weitere Behandlung, um eine ausreichenden
Korrosionsbeständigkeit sicher
zu stellen. Schweißbarkeit
ist ein weiteres Problem, da eine Aluminiumbeschichtungsschicht
einen niedrigen Schmelzpunkt hat, und eine einzelne Oberflächenschicht
aus Aluminium für
die thermische Leitfähigkeit
nicht ausreichend ist. Entsprechend ist das Aluminium-schmelztauch-beschichtete
Stahlblech in der Anwendung beschränkt.
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US-A-4,517,229
beschreibt, Aluminium-Schmelztauchbeschichtungen
vorzusehen, indem ein Titan enthaltendes Stahlsubstrat in geschmolzenes
Aluminium getaucht wird. Als Ergebnis gibt es eine Mischkristall Eisen-Aluminium-Silizium Diffusions-Legierungsbeschichtung.
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Die
japanischen Patentabstracts Vol. 004, Nr. 135 (C-025), 20. September
1980 &
JP 55 085623 A (Nisshin
Steel Co. Ltd.), 27 Juni 1980 bezieht sich auf ein kontinuierliches Übervergütungs-Verfahren
für kontinuierliches
Aluminium-schmelzgetauchtes
Stahlblech. Das Verfahren sieht vor, das Stahlblech überzuvergüten, um
so das Stahlblech weicher zu machen und seine Bearbeitbarkeit zu
verbessern.
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US-A-4,546,051
beschreibt ein Aluminium beschichtetes Stahlblech und ein Verfahren
zur Herstellung desselben. Das Stahlblech ist mit einer Al-Si Beschichtungsschicht
und einer diskontinuierlichen Zwischenschicht aus Al-Fe-Si intermetallischen
Verbindungen versehen.
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FR-A-1,391,659
bezieht sich auf die Basistechnik des Aluminiumtauchens eines Stahlsubstrats,
ohne dass die Eigenschaften der jeweiligen Schichten im Detail beschrieben
werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Aluminium beschichtetes Strukturelement
und ein Herstellungsverfahren zum Vorteil der Korrosionsbeständigkeit, der
Umformbarkeit und der Schweißbarkeit
und breiteren Anwendung in Kraftfahrzeugen zur Verfügung zu
stellen. Entsprechend der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Die Unteransprüche
enthalten weitere bevorzugte Entwicklungen der Erfindung.
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Einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung entsprechend, umfasst ein Strukturelement:
eine Stahl-Substratschicht;
und eine Al-Si-Fe Legierungsschicht, die auf einer Oberfläche der
Stahl-Substratschicht gebildet ist, wobei die Legierungsschicht
einen weicheren Bereich aufweist, mit einer Härte, die kleiner oder gleich
einer Härte
der Stahl-Substratschicht
ist, die sich von der Oberfläche
der Stahl-Substratschicht
bis zu einer Oberfläche
der Legierungsschicht erstreckt, und die eine Dicke aufweist, die
größer oder
gleich 50% einer Dicke der Legierungsschicht ist, wobei die Al-Si-Fe
Legierungsschicht ein Oxidgewicht von kleiner oder gleich 500 mg/dm2 hat.
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Einem
anderen Aspekt der Erfindung entsprechend, umfasst ein Herstellungsverfahren
eines Aluminium beschichteten Strukturelements: ein erstes Verfahrenselement
zum Erwärmen
eines Aluminium-schmelztauch-beschichteten Stahlblechs mit einer
Erwärmungsrate
in einem Bereich von 1~10°C/sec;
ein zweites Verfahrenselement zum Halten des Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblechs bei einer erhöhten
Temperaturen in einem Temperaturbereich von 900~950°C für eine Dauer
in einem Bereich von 2~8 Minuten; ein drittes Verfahrenselement
zum Abkühlen
des Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblechs auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 700~800°C bei einer
Abkühlungsrate
in einem Bereich von 5~15°C/sec;
ein viertes Verfahrenselement zum Umformen des Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblechs in eine vorbestimmte Gestalt in dem Temperaturbereich
von 700~800°C;
und ein fünftes
Verfahrenselement zum Abkühlen
des Aluminium-schmelztauch- beschichteten
Stahlblechs in der vorbestimmten Gestalt von dem Temperaturbereich
von 700~800°C
auf eine niedrigere Temperatur, niedriger oder gleich 300°C, bei einer
Abkühlungsrate
in einem Bereich von 20~100°C/sec.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Gestalt und die Dimensionen
der in einem Test 1 verwendeten Prüfstücke, entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, für
die Bewertung der Umformbarkeit zeigt.
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2A ist
eine Ansicht einer Fotografie, die eine Mikrostruktur einer Beschichtungsschicht
in einem Strukturelement in einem praktischen Beispiel Nr. 1 in
dem Test 1 zeigt.
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2B ist
eine Ansicht einer Fotografie, die eine Mikrostruktur einer Beschichtungsschicht
in einem Strukturelement in einem praktischen Beispiel Nr. 2 in
dem Test 1 zeigt.
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3 ist
eine Grafik, die die Ausführung
fortlaufender Schweißpunkte
beim Punktschweißen
eines Strukturelements in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung im Vergleich mit einem gewöhnlichen Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblech zeigt.
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4 ist
eine Ansicht einer Tabelle 1, die das Ergebnis des Tests 1 in dem
Ausführungsbeispiel
zeigt.
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5 ist
eine Ansicht einer Tabelle 2, die das Ergebnis des Tests 3 in dem
Ausführungsbeispiel
zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen wird ein Aluminium-schmelztauch-beschichtetes Stahlblech durch kontinuierliches Eintauchen
eines Bands in ein Bad geschmolzenen Aluminiums gebildet. Entsprechend
der Beschichtungsmetallkomponente werden Aluminium-schmelztauch-beschichtete
Stahlbleche weitgehend in zwei Kategorien eingeteilt. Eine verwendet
als Beschichtungsmaterial reines Aluminium (für Wetterbeständigkeit)
und das andere eine Al-Si Legierung (für Wärmebeständigkeit), die Si zusätzlich zu
Al enthält.
Ein Ausführungsbeispiel entsprechend
der vorliegenden Erfindung verwendet wärmebeständiges beschichtetes Stahlblech,
das einen Zusatz von Si (ungefähr
3~11% Si) enthält.
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Der
Zusatz von Si zu der Beschichtungsschicht dient dazu, das Wachstum
einer harten Al-Fe Legierungsschicht in einem Grenzbereich zwischen
dem Stahl und der Beschichtung während
des Prozesses des Aluminisierens zu beschränken, und damit dazu, die Adhäsion und
die Korrosionsbeständigkeit
der Al Beschichtungsschicht zu verbessern. In solch einem Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblech wird eine Al-Si-Fe
Legierungsschicht in dem Grenzbereich zwischen der Al Beschichtung
und der Stahl-Substratschicht gebildet.
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Wenn
ein Aluminium-schmelztauch-beschichtetes Stahlblech dieser Art unter
gewissen Bedingungen einer Wärmebehandlung
unterzogen wird, kann die Al-Si-Fe Schicht wachsen und sich vollkommen
ausbreiten bis die Oberfläche
erreicht ist. 2A zeigt eine Querschnittstruktur
in einem Beispiel eines Aluminium beschichteten Stahlblechs mit
einer solchen durch die Wärmebehandlung
bis zu der Oberfläche
gewachsenen Al-Si-Fe Schicht.
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Während des
Wachstums der Al-Si-Fe Legierungsschicht durch die Wärmebehandlung
erzeugt die wechselseitige Diffusion zwischen der Al Beschichtung
und der Stahl-Substratsschicht verschiedene Al-Si-Fe ternäre intermetallische
Verbindungen wie αFeAlSi
Phase (Alpha FeAlSi), βFeAlSi
(Beta FeAlSi) und γFeAlSi (Gamma
FeAlSi). Die durch die Wärmebehandlung
gebildete Al-Si-Fe Legierungsschicht hat eine aus diesen intermetallischen
Verbindungen gebildete geschichtete Struktur und bietet Vorteile
der Umformbarkeit, der Korrosionsbeständigkeit und der Schweißbarkeit.
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Wenn
die Härte
der Al-Si-Fe Legierungsschicht die Härte des Stahlsubstrats übersteigt, übt die Al-Si-Fe
Legierungsschicht durch Verschlechterung der Nachgiebigkeit der
Beschichtung und Verstärkung
der Möglichkeit
von Rissen in der Beschichtung einen nachteiligen Einfluss auf die
Umformbarkeit in dem Umformprozess des Stahlblechs und die Korrosionsbeständigkeit
aus. Deshalb wird in diesem Ausführungsbeispiel eine
weniger harte oder weiche Schicht mit einer Härte gebildet, die kleiner als
die Härte
des Stahlsubstrats an oder in der Nähe des Grenzbereichs zwischen
dem Stahl und der Beschichtung ist. Diese weiche Schicht verhindert
Risse, selbst wenn sie vielleicht so hergestellt ist, dass sie sich
von der Oberfläche
tiefer in Richtung des Stahlsubstrats erstreckt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Dicke der weichen Schicht gleich oder größer als 50% der gesamten Dicke
der Legierungsbeschichtungsschicht ausgeführt. Die dicke weiche Schicht, die
sich von einem Niveau an oder in der Nähe des Grenzgebiets mit dem
Stahlsubstrats bis zur oder hinter die Mitte in der Tiefe der Legierungsschicht
erstreckt, ist für
die Verhinderung der Weiterentwicklung eines Risses und für die Sicherstellung
ausreichender Korrosionsbeständigkeit
effektiv.
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In
der Form von Oxiden in der Beschichtungslegierungsschicht enthaltener
Sauerstoff erzeugt beim Prozess des Galvanisierens Pinholes (Nadelstichporen)
und verschlechtert dadurch die Adhäsion zwischen der Beschichtung
und dem aufgebrachten Film, wenn der Sauerstoffbetrag erhöht wird.
Daher wird die Sauerstoffmenge oder das Oxidgewicht mit gleich oder
weniger als 500 mg/dm2 ausgeführt.
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In
dieser Spezifikation wird das "Oxidgewicht", wie später erwähnt, als
ein Massenunterschied zwischen der Masse eines Prüfstücks nach
einer Wärmebehandlung
bei 950°C
und der Masse des Prüfstücks vor der
Wärmebehandlung
definiert.
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Der
Mechanismus der Bildung der geschichteten Struktur ist nicht klar
ersichtlich. Zurzeit ist die Annahme der Erfinder der vorliegenden
Erfindung wie folgt: (1) das Halten eines Prüfstücks bei einer erhöhten Temperatur
verursacht die Diffusion von Fe und erzeugt einen Konzentrationsgradienten
von Fe und Si in der Beschichtungsschicht. (2) In diesem Falle wird
die Beschichtungsschichtphase dazu gedrängt, sich in eine stabile Verbindungsphase
umzuwandeln, die von der Zusammensetzung in jeder Tiefe bestimmt
ist, sodass in verschiedenen Tiefenbereichen verschiedene Verbindungsschichten
gebildet werden. (3) Daher wird durch das Steuern der erhöhten Temperatur
des Erwärmens
und der Haltezeit bei der erhöhten
Temperatur die Diffusionsmenge von Fe variiert, und der Umwandlungsgrad
in eine stabile Verbindung wird variiert.
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Die
an die Stahl-Substratsschicht angrenzende Al-Si-Fe Legierungsschicht wird durch die
Diffusion von Fe aus der Stahl-Substratsschicht weicher und mit
Stahl stärker
haftend gemacht, und damit stärker
umformbar. Spezifisch liegt ein bevorzugter Bereich des Fe-Gehalts
zwischen 85~95%. Wenn der Fe-Gehalt in diesem Bereich ist, ist die
Härte der
weichen Schicht, die mit dem Stahlsubstrat in Kontakt ist, gleich
oder niedriger als 80% (300~400 Hv) einer durchschnittlichen Härte der
Beschichtungsschicht. Wenn der Fe-Gehalt kleiner als 85% ist, tendiert
der oben genannte vorteilhafte Effekt durch die Diffusion von Fe
dahin, unzureichend zu sein. Wenn der Fe-Gehalt größer als 95% ist, tendiert die
Diffusion von Fe dahin, übermäßig zu werden
und den Al Gehalt zu niedrig zu gestalten, um die Korrosionsbeständigkeit
in der äußersten
Schicht in der Mehrschichtstruktur zu erlangen. In dieser Spezifikation
wird die Prozentangabe % mit der Bedeutung "Massen %" (Prozent der Masse) verwendet, sofern
nicht anders spezifiziert.
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Die
Al-Si-Fe Legierungsschicht wird durch die Wärmebehandlung und die Diffusion
von Fe aus dem Stahlsubstrat weicher gestaltet. Die übermäßige Diffusion
von Fe könnte
jedoch den Al Gehalt unter ein für
die Korrosionsbeständigkeit
benötigtes
Niveau senken. Um unter dem Gesichtspunkt der Korrosionsbeständigkeit den
minimalen Al Gehalt zu erhalten, und um eine Schicht zu bilden,
die weicher ist als das Stahlbasismaterial, ist es vorzuziehen,
den Al Gehalt in einem Bereich von 25~40% mindestens in einer von
dreien oder mehreren Lagen der Mehrlagenstruktur einzustellen. Die
Korrosionsbeständigkeit
tendiert dahin, unzureichend zu sein, wenn der Al Gehalt kleiner
als 25% ist. Die Bildung einer weicheren Schicht wird schwierig,
und die Adhäsion mit
der Stahlbasis könnte
schlecht werden, wenn der Al Gehalt mehr als 40% ist.
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In
dem Fall einer Mehrlagenstruktur mit drei oder mehr in Zusammensetzung
oder Verbindung sich unterscheidenden untergelagerten Schichten,
gibt es eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen einer an die
Stahl-Substratschicht angrenzenden innersten Schicht und einer äußersten
Schicht, die die Oberfläche
der Beschichtungsschicht bildet. Vorzugsweise enthält die Zwischenschicht
oder mindestens eine der Zwischenschichten 25~40% Al.
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Die
Schweißbarkeit
wird durch das Legieren der Aluminiumbeschichtungsschicht mit von
dem Stahlbasismaterial diffundiertem Fe verbessert. Die legierte
Al-Si-Fe Beschichtungsschicht hat einen höheren Schmelzpunkt als eine
durch Schmelztauchen gebildete Al Beschichtungsschicht, sodass Schweißen unter Schwachstrombedingung
möglich
ist. Außerdem
wird beim Punktschweißen
Adhäsion
von Beschichtungsmetall an einer Schweißelektrode verhindert, zum
Vorteil von Verbesserungen beim fortlaufenden Punktschweißen.
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Die
thermische Stabilität
wird durch das vollständige
Einlegieren einer Al-Si-Fe Legierungsschicht in eine Mehrschichtstruktur,
wie eine Fünflagenstruktur
mit fünf
Lagen verschiedener Legierungszusammensetzungen, verbessert. Eine
Mehrschichtstruktur mit einer harten äußersten Schicht ist vorteilhaft
für die
Aufrechterhaltung eines guten Kontakts mit einer Schweißzange beim
Punktschweißen,
selbst unter großem
Druck für Material
hoher Spannung.
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Wenn
der Fe-Gehalt mit dem Fortschreiten des Legierens zwischen der Aluminiumbeschichtungsschicht
und dem von der Stahlbasis diffundierten Fe ansteigt, nimmt die
thermische Leitfähigkeit
der Beschichtungsschicht ab, und das Schweißen mit schwächerer Stromstärke wird
möglich.
Es ist möglich,
Schweißbarkeit
und Korrosionsbeständigkeit
zu kombinieren, indem die Fe-Konzentration in der Oberfläche oder
der äußersten
Schicht der Beschichtung in den Bereich von 35~50% liegt. Die Beschichtungsschicht
mit einer Fe-Konzentration
der Oberfläche
in diesem Bereich kann durch die Bildung einer Al-Si-Fe Schicht
mit einer Mehrlagenstruktur gebildet werden, oder durch die Bildung
einer Al-Si-Fe Schicht mit einem Konzentrationsgradienten des Fe-Gehalts.
Die Verbesserung der Schweißbarkeit
ist unzureichend, wenn die Fe-Konzentration
in der äußersten
Schicht weniger als 35% ist. Wenn die Fe-Konzentration in der äußersten
Schicht mehr als 50% beträgt,
wird der Al Gehalt relativ verringert und die Korrosionsbeständigkeit
verschlechtert sich.
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Ein
Aluminium beschichtetes Strukturelement mit einer Al-Si-Fe Legierungsschicht
auf der Oberfläche, wie
oben erwähnt,
kann durch den folgenden Prozess erzielt werden. Zuerst wird ein
in einer Beschichtungsschicht Si enthaltendes wärmebeständiges Aluminium-schmelztauch-beschichtetes
Stahlblech mit einer Rate von 1~10°C/sec auf eine Temperatur in
dem Temperaturbereich von 900~950°C
erwärmt
und bei dieser erhöhten
Temperatur während
eine Haltezeit (oder Dauer) von 2~8 Minuten gehalten. In diesem
Fall könnte
die Aluminiumsbeschichtung lokal schmelzen, wenn das Aluminium-schmelztauch-beschichtete
Stahlblech mit einer schnelleren Erwärmungsrate als 10°C/sec auf
eine höhere
Temperatur als 900°C
erwärmt
wird. Die Beschichtungsschicht könnte
oxidieren, wenn die Erwärmungsrate
langsamer als 1°C/sec
ist. Das Fortschreiten der Austenitisierung in dem Stahlbasismaterial
ist zu langsam, um eine ausreichende Festigkeit als Strukturelement
zu erhalten, wenn die erhöhte
Temperatur, bei der das Prüfstück gehalten
wird, geringer als 900°C
ist. Wenn die erhöhte
Temperatur höher
als 950°C
ist, schreitet die unerwünschte
Oxidation der Beschichtungsschicht fort, und die Diffusion von Fe
schreitet zu sehr bis an die Oberfläche der Beschichtungsschicht
fort. Wenn die Haltezeit bei der erhöhten Temperatur kürzer als
2 Minuten ist, wird die Bildung der Al-Si-Fe Legierungsschicht unzureichend.
Wenn die Haltezeit bei der erhöhten
Temperatur länger
als 8 Minuten ist, schreitet die Oxidation der Beschichtungsschicht
fort, und es wird ein unerwünschter
Einfluss auf die Haftfähigkeit
des Beschichtungsfilms durch Galvanisieren ausgeübt.
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Nach
der Wärmebehandlung
des Haltens in dem oben erwähnten
Temperaturbereich, wird das Stahlblech von einem Heizofen zu einer
Umformpresse gebracht. Während
des Transports beginnt das Abkühlen. In
diesem Fall ist gefordert, dass die Abkühlungsrate nach der Wärmebehandlung
5~15°C/sec
ist, um den Umformvorgang bei einer vorbestimmten Temperatur und
die Schnellkühlung
von einer vorbestimmten Temperatur auszuführen. Wenn die Abkühlungsrate
langsamer als 5°C/sec
ist, wird die Oxidation der Beschichtungsschicht auffällig. Für Abkühlung bei
einer höheren
Rate als 15°C/sec,
ergibt sich die Notwendigkeit für
Zwangskühlung.
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Der
Umformvorgang in eine gewünschte
Gestalt wird in dem Temperaturbereich von 700~800°C begonnen.
Nach dem Umformvorgang wird das gestaltete Blech mit einer Rate
in dem Bereich von 20~100°C/sec schnell
von dem Temperaturbereich von 700~800°C auf eine Temperatur niedriger
oder gleich 300°C
abgekühlt.
Durch diese Schnellkühlung
wird das Stahlbasismaterial gekühlt
während
die durch die Wärmebehandlung
gebildete Al-Si-Fe Legierungsschicht erhalten wird, und es wird
ein Aluminium beschichtetes Strukturelement von einer gewünschten
Gestalt erlangt. Die oben erwähnten
Bedingungen für
die Wärmebehandlung sind
auch für
die Abschreckkühlung
des Stahlbasismaterials angemessen, und somit wirksam zur Erhöhung der
Festigkeit des Materials. Es ist nicht wünschenswert, den Umformvorgang
bei einer höheren
Temperatur als 800°C
zu beginnen, da Nacherwärmen
erforderlich ist und die Oxidation der Beschichtung gefördert wird. Wenn
der Umformvorgang bei einer niedrigeren Temperatur als 700°C begonnen
wird, ist die Abschrecktemperatur für die Martensitumwandlung zu
niedrig. Wenn die Abkühlungsrate
nach dem Umformvorgang langsamer als 20°C/sec ist, ist die Umwandlung
in Martensit unzureichend, und die Diffusion von Fe schreitet zu
weit fort. Wenn die Abkühlungsrate
nach dem Umformvorgang schneller als 100°C/sec ist, werden die Anlagenkosten
mit der Notwendigkeit, ein Abkühlungssystem
in der Herstellungsausrüstung
zu verbessern, merklich erhöht.
Das schnelle Abkühlen
auf eine Temperatur niedriger als oder gleich 300°C bewirkt,
dass keine Ferritphase übrig
bleibt, und dass eine martensitische Umwandlung ausreichend gefördert wird.
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Das
folgende ist eine Erklärung
eines praktischen Beispiels des Ausführungsbeispiels.
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(Test
1) Aluminium beschichtete oder aluminisierte Strukturelemente wurden
unter den folgenden Bedingungen hergestellt, und eine Untersuchung
wurden über
die Umformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit
durchgeführt.
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[Test mit Aluminium-schmelztauch-beschichtetem
Stahlblech]
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- Zusammensetzung des ursprünglichen Bleches für die Beschichtung:
0,22%C, 0,22%Si, 1,0%Mn, 0,015%P, 0,007%S.
- Blechdicke: 1,4 mm.
- Si-Konzentration in der Aluminiumsbeschichtung: 5%.
- Dicke der Aluminiumbeschichtungsschicht: 10~20 μm.
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[Testverfahren]
Von dem oben erwähnten
Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblech wurde eine flache Platte mit einer Breite von 160 mm
und einer Länge
von 160 mm ausgeschnitten, unter den folgenden Bedingungen wärmebehandelt,
und in eine in
1 gezeigte Gestalt umgeformt.
Dann wurde eine Untersuchung über
die Zusammensetzung der Legierungsbeschichtungsschicht, Härte, Umformbarkeit,
Korrosionsbeständigkeit
und Schweißbarkeit
durchgeführt. <Bedingungen der
Wärmebehandlung>
| Erwärmungsrate: | 8°C/sec |
| Erwärmungstemperatur: | 900~950°C |
| Haltezeit: | 2~10
min |
| Primärkühlungsrate: | 7°C/sec |
| Temperatur
bei Beginn der Umformung: | 720°C |
| Temperatur
bei einem Beginn der Schnellkühlung: | 720°C |
| Sekundärkühlungsrate
(Abschrecken): | 30°C/sec |
| Temperatur
am Ende der Abkühlung: | 100°C |
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[Testergebnisse]
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des Tests. In allen Fällen in
der Tabelle 1 ist eine weichste Schicht einer Beschichtung eine
Schicht, die an eine Stahl-Substratsschicht
eines Stahlbasismaterials angrenzt. Tabelle 1 enthält eine
Spalte mit Herstellungsbedingungen, unterteilt in eine Spalte der
Temperaturerhöhung
und eine Spalte der Haltezeit; eine Spalte der Beschichtungsschichtstruktur
und Zusammensetzung (%), unterteilt in eine Spalte der Komponente
und Härte,
eine Spalte der inneren Schicht (INNEN), eine Spalte der ersten
Zwischenschicht (INTER1), eine Spalte einer zweiten Zwischenschicht
(INTER2), eine Spalte einer dritten Zwischenschicht (INTER3), und
eine Spalte einer äußeren Schicht
(AUSSEN); eine Spalte der Härte
des Stahlbasismaterials (Hv); eine Spalte der Härte der Beschichtungsschicht
(Hv), unterteilt in eine Spalte der weichsten Schicht, eine Spalte
des Durchschnitts, und eine Spalte eines Bereichs (%), der weicher als
das Basismaterial ist; eine Spalte des Oxidgewichts (mg/dm2); eine Spalte der Umformbarkeit; eine Spalte der
Korrosionsbeständigkeit;
und eine Spalte der Schweißbarkeit.
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<Formbarkeit> Die Rissbildung wurde
nach dem Umformvorgang in der Al-Si-Fe Legierungsschicht geprüft. Testmuster,
die keine bis zu der Stahl-Substratsschicht reichenden Risse hatten,
wurden als zulässig bewertet
und mit einem Kreiszeichen gekennzeichnet. Muster, die einen oder
mehrere Risse aufzeigten, die die Stahl-Substratsschicht erreichen,
wurden als unzulässig
bewertet und mit einem Kreuzzeichen gekennzeichnet. Die Muster zeigten
gute Formbarkeit, abgesehen von dem Strukturelement der Nr. 2 mit
einer derart gehärteten
Beschichtungsschicht, dass eine durchschnittliche Härte der
Beschichtungsschicht größer ist
als die Härte
des Stahlbasismaterials, und die Härte der Beschichtungsschicht
in einem Bereich härter
ist, der sich über
einen Tiefenbereich erstreckt, der größer ist als 50% der Dicke der
Legierungsschicht. Als ein typisches Beispiel zeigt 2A eine
Mikrostruktur der Beschichtungsschicht in dem Strukturelement der
Nr. 1 ohne Risse, und 2B zeigt eine Mikrostruktur
der Beschichtungsschicht in dem Strukturelement der Nr. 2, die unter einem
Riss leidet.
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<Korrosionsbeständigkeit> Die hergestellten
Strukturelemente wurden einem Salzsprühtest (Salt Spray Test SST),
wie durch JIS Z2371 definiert, unterzogen, um die Korrosionsbeständigkeit
jedes Strukturelements zu bewerten. Als Ergebnis wurde eine schlechtere
Korrosionsbeständigkeit
von dem Strukturelement der Nr. 3 gezeigt, in welchem die Diffusion
von Fe wegen einer zu langen Haltezeit bei der erhöhten Temperatur übermäßig war,
und womit der Aluminiumgehalt in der äußersten Schicht zu niedrig
war.
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<Schweißbarkeit> Die hergestellten
Strukturelemente wurden unter den unten genannten Bedingungen einer
Punktschweißserie
unterzogen. Wenn die Anzahl der aufeinander folgenden Punkte ansteigt,
tendiert im Allgemeinen ein Linsendurchmesser dazu, abzunehmen,
und die Schweißnahtfestigkeit
tendiert dazu, abzunehmen. Entsprechend wurde das Punktschweißen unter
den folgenden Schweißbedingungen
durchgeführt,
bis die Anzahl der Punkte eine Anzahl erreicht, die kleiner ist
als eine Klasse A Bewertungsreferenz in JIS Z3140. Die Schweißbarkeit
wurden in Übereinstimmung
mit der Anzahl fortlaufender Punkte bestimmt. Das Strukturelement
Nr. 3 wurde als unzulässig
beurteilt und mit einem X gekennzeichnet, da die Anzahl von aufeinander
folgenden Punkten ungefähr
500 unter dem Niveau der Beurteilungsreferenz war. Was die Strukturelemente
außer
dem Strukturelement Nr. 3 betrifft, wurden Anzahlen von bis zu 3000
Punktschweißungen
erzielt, bis zu einem Niveau, das die Bewertungsreferenz erfüllt, und
das Punktschweißen
wurde an diesem Punkt beendet. Somit wurden die Strukturelemente,
außer
dem Muster Nr. 3 mit einem Kreis als zulässig gekennzeichnet. Die Ergebnisse
des Tests zeigen somit, dass die Schweißbarkeit verschlechtert wird,
wenn die Haltezeit für
die Wärmebehandlung
zu lang ist, und die Diffusion von Fe die Beschichtungsschicht weich macht,
wie in dem Muster Nr. 3. Das Muster Nr. 3 hat eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit
und Schweißbarkeit.
Jedoch ist das Muster Nr. 3 gut in der Umformbarkeit. Daher ist
das Muster Nr. 3 für
einige Anwendungen noch ausreichend. [Schweißbedingungen]
| Basismaterial: | Aluminium
beschichtetes Stahlblech (Dicke 1,2 mm) und GA Material (Dicke 2,0
mm) von einem Typ mit einer Zugfestigkeit von 440 Mpa |
| Klemmkraft: | 5,98
kN |
| Spannzeit: | 50
Hz |
| Stromanstieg: | 3
Hz |
| Energetisierung: | 9
kA × 18
Hz |
| Haltezeit: | 21
Hz |
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(Test
2) Unter Verwendung eines in derselben Weise wie das Muster Nr.
1 des Tests 1 wärmebehandelten
Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblechs und eines nicht einer Wärmebehandlung unterzogenen
Aluminium-schmelztauch-beschichteten
Stahlblechs als ein Vergleichsmuster, wurde ein Vergleich der Charakteristiken
der Serienpunktschweißungen
unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
3 zeigt die
Ergebnisse des Tests 2 für
Muster des Ausführungsbeispiels
und Vergleichmuster. Das Muster, das das Aluminium-schmelztauch-beschichtete
Stahlblech ohne Wärmebehandlung
verwendet, zeigt ungefähr
500 Punkte, wohingegen das Muster dieses Beispiels entsprechend
der vorliegenden Erfindung 3000 Punkte oder mehr zeigt. (Testbedingungen)
| Basismaterial: | Aluminium
beschichtetes Stahlblech (Dicke 1,2) und GA Material (Dicke 2,0)
von einem Typ mit einer Zugfestigkeit von 440 Mpa |
| Klemmkraft: | 610
kgf |
| Spannzeit: | 50
cyc |
| Stromanstieg: | 3
cyc |
| Energieaufbau: | 9
kA × 18
cyc |
| Haltezeit: | 21
cyc |
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(Test
3) Aluminium-schmelztauch-beschichtete Stahlbleche wurden für unterschiedliche
Zeitdauern bei einer Temperatur von 950°C gehalten, um eine Al-Si-Fe
Legierungsschicht zu bilden, und einer galvanischen Beschichtung
auf der Legierungsschicht unterzogen. Dann wurden die Muster geprüft, um eine
Beziehung zwischen dem Oxidgewicht in der Legierungsschicht und
der Lackierbarkeit zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 gezeigt. Das Oxidgewicht ist hierbei definiert als ein Massenunterschied
zwischen dem Ergebnis der Massenmessung durch eine Analysenwaage
vor dem Erwärmen
und dem Ergebnis einer Massenmessung nach dem Erwärmen.
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Aus
Tabelle 2 ist offensichtlich, dass, wenn das Oxidgewicht größer als
500 mg/dm2 wird, das Auftreten von Pinholes
in dem aufgetragenen Beschichtungsfilm wahrnehmbar wird. In dem
durch Pinholes beeinträchtigten
Muster ist die Adhäsion
unzureichend, und die Korrosionsbeständigkeit ist durch die galvanische
Beschichtung nicht ausreichend verbessert.
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In
dem Aluminium beschichteten Strukturelement entsprechend dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, verhindert die Al-Si-Fe Legierungsschicht
auf dem Stahlsubstrat oder der Basisschicht, dass zwischen dem Stahlsubstrat
und der Beschichtung eine harte Schicht gebildet wird, und bildet
stattdessen einen weicheren Bereich, der weit in Richtung der Tiefe
reicht. Außerdem
hat die Legierungsschicht ein niedriges Oxidgewicht. Daher kann
das Ausführungsbeispiel
die Umformbarkeit und die Lackierbarkeit verbessern, und kann sowohl
Korrosionsbeständigkeit
und Schweißbarkeit
erzielen, indem der Al-Gehalt und der Fe-Gehalt abgeglichen werden.
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In
dem Herstellungsverfahren entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, wird ein Stahlblech mit einer Si enthaltenden Aluminium-schmelztauch-Beschichtungsschicht
wärmebehandelt,
in eine gewünschte
Gestalt umgeformt, und schnell abgekühlt. Daher kann dieses Herstellungsverfahren die
Korrosionsbeständigkeit,
die Lackierbarkeit, die Schweißbarkeit
und die Umformbarkeit verbessern.
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Diese
Anmeldung basiert auf der älteren
japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-202770, eingereicht am 11.
Juli 2002. Der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung Nr.
2002-202770 wird
hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen.
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Obwohl
die Erfindung oben mit Referenz auf gewisse Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Abwandlungen und Veränderungen
der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
werden den Durchschnitts-Fachleuten im Licht der obigen Lehren einfallen.
Der Rahmen der Erfindung ist mit Bezug auf die folgenden Ansprüche definiert.