EP2580358A1 - Verfahren zum herstellen eines warmgeformten und gehärteten, mit einer metallischen korrosionsschutzbeschichtung überzogenen stahlbauteils aus einem stahlflachprodukt - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer metallischen Schutzbeschichtung überzogenen Stahlbauteils aus einem mindestens 0,4 Gew.-% Mn aufweisenden Stahlflachprodukt. Das erfindungsgemäße Um auf wirtschaftliche Weise bei auf ein Minimum reduzierter Gefahr der Entstehung von metallinduzierten Rissen ein hochfestes Stahlbauteil zu erzeugen, sieht die Erfindung vor, das Stahlflachprodukt in einem Durchlaufofen unter einer zu 25 Vol. -% H2, 0,1 - 10 Vol.-% NH3, H20 und als Rest N2 sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthaltenden Glühatmosphäre mit einem zwischen -50 °C und -5 °C liegenden Taupunkt bei einer Haltetemperatur von 400 - 1100 °C für eine Haiezeit von 5 - 600 s zu glühen. Das geglühte Stahlflachprodukt weist an eine 5 - 200 pm dicke Nitrierschicht (N) auf, deren Korngröße feiner ist als die Korngröße der innenliegenden Kernschicht (K) des Stahlflachprodukts. Nachdem es mit einer metallischen Schutzschicht überzogen worden ist, wird von dem geglühten Stahlflachprodukt eine Platine abgeteilt, die nach einem optionalen Vorformen auf eine 780 - 950 °C betragende Austenitisierungstemperatur durcherwärmt, zu dem Stahlbauteil warmgeformt und so schnell abgekühlt wird, dass sich in dem Stahlflachprodukt Härtegefüge bildet.

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES WARMGEFORMTEN UND GEHÄRTETEN, MIT EINER METALLISCHEN KORROSIONSSCHUTZBESCHICHTÜNG ÜBERZOGENEN STAHLBAUTEILS AUS EINEM STAHLFLACHPRODUKT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines warmgeformten und gehärteten, mit einer metallischen Korrosionsschut zbeschichtung überzogenen Stahlbauteils aus einem Stahlflachprodukt, das einen Mn-Gehalt von mindestens 0,4 Gew.-% aufweist.

Wie im Artikel "Potenziale für den Karosserieleichtbau", erschienen in der Messezeitung der ThyssenKrupp Automotiv AG zur 61. Internationalen Automobilausstellung in

Frankfurt, 15.-25. Sept. 2005, berichtet, wird das

Warmformhärten in der Praxis insbesondere für die

Herstellung von hochfesten Karosseriebauteilen aus borlegierten Stählen angewendet. Ein typisches Beispiel für einen solchen Stahl der hier in Rede stehenden Art ist der unter der Bezeichnung 22MnB5 bekannte Stahl, welcher im Stahlschlüssel 2004 unter der Werkstoffnummer 1.5528 zu finden ist.

Ein mit dem Stahl 22MnB5 vergleichbarer Stahl ist aus der JP 2006104526 A bekannt. Dieser bekannte Stahl enthält neben Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,05 - 0 , 55 % C, max. 2 % Si, 0,1 - 3 % Mn, max. 0,1 % P und max. 0,03 % S. Zur Verbesserung der Durchhärtbarkeit können dem Stahl zusätzlich Gehalte von 0,0002 - 0,005 % B und 0,001 - 0,1 % Ti zugegeben werden. Der jeweilige Ti-Gehalt dient dabei zum Abbinden des in dem Stahl vorhandenen Stickstoffs. Auf diese Weise kann das im Stahl vorhandene Bor seine festigkeitssteigernde Wirkung möglichst vollständig entfalten.

Gemäß der JP 2006104526 Ä werden aus dem derart

zusammengesetzten Stahl zunächst Bleche gefertigt, die dann auf eine oberhalb der Ac₃-Temperatur, typischerweise im Bereich von 850 - 950 °C, liegende Temperatur

vorgewärmt werden. Bei der anschließend im Presswerkzeug erfolgenden, von diesem Temperaturbereich ausgehenden schnellen Abkühlung bildet sich im aus dem jeweiligen Blechzuschnitt pressgeformten Bauteil das die

angestrebten hohen Festigkeiten gewährleistende

martensitische Gefüge. Günstig wirkt sich dabei aus, dass sich die auf das genannte Temperaturniveau erwärmten Blechteile bei relativ geringen Umformkräften zu komplex geformten Bauteilen umformen lassen. Dies gilt

insbesondere auch für solche Blechteile, die aus

hochfestem Stahl gefertigt und mit einer

Korrosionsschutzbeschichtung versehen sind.

Eine besondere Schwierigkeit stellt die Warmumformung von verzinkten Stahlflachprodukten zu hoch- bzw. höchstfesten Stahlbauteilen dar. Muss ein mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung versehenes Stahlblech für die Warmumformung und ein gegebenenfalls anschließend oder in Kombination mit der Warmumformung durchgeführtes Härten auf eine Temperatur erwärmt werden, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Schut zbeschichtung liegt, so besteht die Gefahr der so genannten

"Flüssigmetallversprödung" . Zu dieser Versprödung des Stahls■ kommt es, wenn schmelzflüssiges Metall des

Überzugs in die sich bei der Verformung an der Oberfläche des jeweiligen Stahlflachproduktes bildenden Kerben eindringt. Das in das Stahlsubstrat gelangende flüssige Metall lagert sich dort an den Korngrenzen ab und

reduziert so die maximal aufnehmbaren Zug- und

Druckspannungen .

Besonders kritisch erweist sich die Gefahr der

Flüssigmetallversprödung bei Stahlflachprodukten, die aus höher- und hochfesten Mn-haltigen Stählen hergestellt sind. Diese Stähle weisen nur eine begrenzte Duktilität auf und neigen infolgedessen bei ihrer Umformung zur Bildung von oberflächennahen, korngrenznahen Rissen.

Aus der DE-OS 18 13 808 ist es allgemein bekannt, dass sich die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit eines Stahlblechs durch eine Nitrierungsbehandlung verbessern lassen, durch die eine oberflächennahe, 2,5 - 19 μπι dicke Randschicht mit einem gegenüber dem Kernbereich des Stahlblechs erhöhten Stickstoff-Gehalt erzeugt wird. Die Nitrierschicht weist eine gute Haftung auf.

Aus der DE 691 07 931 T2 ist es des Weiteren bekannt, dass in einer oberflächennahen Region von aus

kohlenstoffarmen Stähle bestehenden, für den Bau von Kraftfahrzeugkarosserien bestimmten Stahlflachprodukten höhere C- oder N-Gehalte durch eine Karburier- oder

Nitrierbehandlung erzeugt werden können, um die

Bearbeitbarkeit der betreffenden Stahlflachprodukte zu verbessern .

Diese Maßnahmen stehen beim Stand der Technik nicht im Zusammenhang mit höher- oder hochfesten Stählen, die Mn-Gehalte von mindestens 0,4 Gew.-% aufweisen, wobei typische Mn-Gehalte der erfindungsgemäß verarbeiteten Stähle im Bereich von 0,4 - 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,6 - 3,0 Gew.-%, liegen.

Der C-Gehalt der erfindungsgemäß verarbeiteten

Stahlflachprodukte beträgt typischerweise mehr als

0,06 Gew.-% und weniger als 0,8 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,45 Gew.-%, auf.

Beispiele für die erfindungsgemäß verarbeiteten Stähle können zur Einstellung ihrer jeweiligen Eigenschaften bis zu 0,2 Gew.-% Ti, bis zu 0,005 Gew.-% B, bis zu 0,5 Gew.- % Cr, bis zu 0,1 Gew.-% V oder bis zu 0,03 Gew.-% Nb enthalten .

Die Aufstickung oder das innere Nitrieren setzen das Vorhandensein von diff sionsfähigem Stickstoff voraus. Diese Voraussetzung ist erfüllt, wenn der Stickstoff im statu nascendi vorliegt.

Üblicherweise erfolgt das Nitrieren durch Glühen des jeweiligen Stahlflachproduktes in einer ammoniakhaltigen H₂-N2-Glühgasatmosphäre . Dort stehen Ammoniak und Stickstoff als Stickstoffspender zur Verfügung.

Ammoniakgas spaltet sich bei Atmosphärendruck und

Temperaturen über 400 °C unter Verdopplung seines

Volumens in Stickstoff und Wasserstoff auf. Die

Dissoziation von Ammoniak-Gas lässt sich durch folgende Reaktionsgleichung beschreiben:

2NH₃ -> 2[N]+3H₂

Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das es bei auf ein Minimum

reduzierter Gefahr der Entstehung von metallinduzierten Rissen auf wirtschaftliche Weise erlaubt, ein hochfestes Stahlbauteil zu erzeugen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass bei der Herstellung eines hochfesten Stahlbauteils die in Anspruch 1 angegebenen Arbeitsschritte absolviert werden .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den von den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbesc icht ng

überzogenen Stahlbauteils, geht aus von dem Gedanken, an dem Stahlflachprodukt vor dessen Warmumformung eine Nitrierbehandlung durchzuführen, durch die in dem W

Stahlflachprodukt eine feinstrukturierte Randschicht erzeugt wird. Diese Randschicht verbessert einerseits die Umformeigenschaften des oberflächenveredelten

Stahlprodukts für die Warmumformung.

Andererseits erweist sich der in erfindungsgemäßer Weise aufgestickte Randbereich des Stahlflachprodukts

überraschend hilfreich bei der Vermeidung von

Metallversprödung des Stahlfeinblechs bei der

Warmumformung. So bewirkt die Nitrierzone eine

signifikante Erhöhung der Korngrenzen-/

Phasengrenzflächen während des Warmumformprozesses, welche dem Rissversagen des Werkstoffs in Folge von in das Gefüge des Stahlsubstrats eindringenden

Metallwerkstoff des Überzugs entgegenwirkt. Überdies stellt sich eine ungewöhnlich hohe Eisendiffusion in den Überzug ein. In Folge dessen wird insbesondere bei der Verarbeitung von auf Zink basierenden Überzügen der

Überzug thermisch stabiler.

Um die voranstehend zusammengefassten positiven Einflüsse der erfindungsgemäß vorgenommenen Randschichtnitrierung zu nutzen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Arbeitsschritte :

- Es wird ein Stahlflachprodukt aus einem Stahl

bereitgestellt, der einen Mn-Gehalt von mindestens 0,4 Gew.-% aufweist. Wenn hier von einem

Stahlflachprodukt die Rede ist, dann sind damit

allgemein Stahlbleche, -bänder, -platinen oder

desgleichen gemeint. Ein solches Stahlflachprodukt kann im warm- oder kaltgewalzten Zustand in erfindungsgemäßer Weise verarbeitet werden. Es ist auch denkbar, unterschiedliche Stahlplatinen zu einem

anschließend in erfindungsgemäßer Weise verarbeiteten Stahlflachprodukt zusammenzusetzen, wobei eine der

Stahlplatinen aus einem Stahl der in Anspruch 1

angegebenen Art besteht.

- Das Stahlflachprodukt wird in einem Durchlaufofen unter einer Glühatmosphäre, die bis zu 25 Vol.-% H₂,

0,1 - 10 Vol.-% NH3, H₂0 und als Rest N₂ sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthält und die einen zwischen -50 °C und -5 °C liegenden Taupunkt aufweist. Die Haltetemperatur, bei der das

Stahlflachprodukt für eine 5 - 600 s dauernde Haltezeit gehalten wird, beträgt dabei 400 - 1100 °C. Im Ergebnis ist durch diese Nitrier-Glühbehandlung an dem

Stahlflachprodukt eine 5 - 200 μκν dicke, an seine freie Oberfläche angrenzende duktile Nitrierschicht

vorhanden, deren Korngröße feiner ist als die Korngröße der innenliegenden, von der Randschicht bedeckten, durch den Grundwerkstoff des Stahlflachproduktes gebildeten Kernschicht.

- Nach der Erzeugung der Nitrierschicht wird das in der voranstehend angegebenen Weise geglühte

Stahlflachprodukt mi einer metallischen Schutzschicht beschichtet. Die Erfindung macht sich hierbei die

Erkenntnis zu Nutze, dass sich die Gefahr einer

Flüssigmetallversprödung dadurch minimieren lässt, dass durch eine gezielte Modifikation des oberflächennahen Bereiches des Stahlflachprodukts der für die

Flüssigmetallversprödung anfällige Temperaturbereich so verschoben werden kann, dass dieser sich nicht mit dem für die Warmumformung typischen Temperaturintervall deckt .

- Von dem mit der metallischen Schutzschicht

beschichteten Stahlflachprodukt werden Platinen

abgeteilt .

- Sofern die Umformung zwei- oder mehrstufig erfolgt,

kann an dieser Stelle die Platine optional vorgeformt werden. Die Vorformung kann dabei soweit gehen, dass nach dem Vorformen die Form der Platine annähernd vollständig der Form des fertigen Bauteils entspricht. Typischerweise erfolgt die Vorformung bei kalter oder einer unterhalb der Austenitisierungstemperatur

erwärmter, halbwarmer Platine. Bei einer einstufig alleine durch Warmformen durchgeführten Umformung entfällt die Vorformung.

- Für die Warmformgebung wird die Platine auf eine

780 - 950 °C betragende Austenitisierungstemperatur durcherwärmt .

- Anschließend erfolgt die Warmformung der durcherwäritvten Platine zu dem fertigen Stahlbauteil.

- Das erhaltene Stahlbauteil wird dann einer Abkühlung unterzogen, bei der es ausgehend von der

Austenitisierungstemperatur beschleunigt abgekühlt wird. Die Abkühlung des Stahlbauteils erfolgt dabei derart, dass sich in dem Stahlflachprodukt Härtegefüge bildet . Die Warmumformung und die Härtung können "einstufig" erfolgen. In diesem Fall werden die Warmformgebung und die Härtung in einem Zuge gemeinsam in einem Werkzeug durchgeführt. Dagegen werden beim zweistufigen Prozess die Arbeitsschritte "Formgebung" und "Erzeugung des

Vergütungs- bzw. Härtegefüges" voneinander getrennt durchgeführt .

Überraschenderweise gelingt es bei Anwendung der

erfindungsgemäß vorgegebenen Glühbedingungen, die

gewünschte Nitrierungstiefe auch bei sehr kurzen

Konditionierungszeiten zu erzielen. So zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere dadurch aus, dass es auf besonders wirtschaftliche Weise unter Verwendung eines Durchlaufofens durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren in

kontinuierlich ablaufende Herstellungsprozesse

einzubinden, die hohe Bandgeschwindigkeiten voraussetzen, wie es beispielsweise in Feuerbeschichtungsanlagen der Fall ist, in denen im kontinuierlichen Durchlauf

Stahlbänder wärmebehandelt und mit einem

Korrosionsschutzüberzug schmelztauchbeschichtet werden.

Im Reaktionsraum vorhandene Eisenoberflächen begünstigen katalytisch die Dissoziation. Ein Teil der im Augenblick des Zerfalls freigesetzten Stickstoffatome kann in den Eisenwerkstoff eindiffundieren.

StickstoffÜbertragung erfolgt in mehreren Teilschritten: • Transport an die Werkstückoberfläche Adsorption an der Oberfläche

Durchdringen der Oberfläche (Absorption)

Diffusion in das Werkstückinnere

Aufgrund der erhöhten Stickstofflöslichkeit im Austenit, ist es zweckmäßig die Glühung interkritisch durchzuführen d.h. im Zweiphasengebiet α/γ-Fe. Unabhängig, ob die anschließende BeSchichtung mit der metallischen

Schutzschicht im Durchlauf oder stückweise durchgeführt wird, kann das Ergebnis der Nitrierbehandlung demnach unter den in der Praxis üblicherweise gegebenen

Bedingungen auf besonders wirtschaftliche und

umweltgerechte Weise dadurch optimiert werden, dass mindestens eine der folgenden Bedingungen eingehalten wird :

- Der H₂-Gehalt der Glühatmosphäre beträgt höchstens

10 Vol.-%,

- der NH₃-Gehalt der Glühatmosphäre beträgt höchstens 5 Vol.-%,

- der Taupunkt der Glühatmosphäre beträgt -40 °C bis

-15 °C,

- die Haltetemperatur des Glühens beträgt 680 - 840 °C,

- die Haltezeit des Glühens beträgt 30 - 120 s.

Entscheidend für den Erfolg der Erfindung ist, dass sich im Zuge der erfindungsgemäßen Glühbehandlung eine

Nitrier-Randschicht einstellt, deren Korngröße deutlich feiner ist als die Korngröße der im Zuge der Glühung nicht aufgestickten Kernschicht des Stahlflachprodukts. Praktische Versuche haben ergeben, dass gemäß DIN EN ISO 643 die Korngrößen-Kennzahl der Nitrierschicht um

mindestens 2 kleiner ist als die Korngrößen-Kennzahl des Grundwerkstoffs (Kernschicht) des geglühten

Stahlflachprodukts vor dem Durcherwärmen und Warmformen der Platine.

Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine nitrierte Randschicht gezielt eingestellt. Die Dicke dieser feinstrukturierten, gegebenenfalls nur

teilrekistallisierten, Nitrierschicht wird durch die gemäß DIN 50190-3 ermittelte Nitrierhärtetiefe bestimmt. Hiernach ist die Nitrierhärtetiefe der Abstand von der Oberfläche bis zu dem Punkt des Stahlsubstrats, an dem die Härte der Kernhärte + 50HV entspricht. Auf diese Weise stellt sich im nitrierten, oberflächennahen

Randschichtbereich des Stahlflachprodukts eine Härte ein, die um mindestens 25 % höher ist als die Härte des

Kernbereichs, d.h. Hv (nitriert ) /Hv (Kernbereich) 1,25.

Typischerweise beträgt bei einem erfindungsgemäß

verarbeiteten Stahlflachprodukt die Dicke der

aufgestickten Randschicht nach der Glühbehandlung >5 m und <200pm.

Eine für die Praxis besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die

Beschichtung des Stahlflachprodukts mit der metallischen Schutzschicht durch ein Schmelztauchbeschichten erfolgt, das in einem kontinuierlich auf die Glühbehandlung - -

folgend durchgeführten Ärbeitsablauf absolviert wird. In diesem Fall erfolgt die erfindungsgemäß durchgeführte Glühbehandlung zeitgleich zur Oberflächenkonditionierung für die nachgeschaltete Oberflächenveredelung über eine heterogene Glühgas-Metall-Reaktio .

Dabei ist es besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren in einer Feuerbeschichtungsanlage anzuwenden, da die Glühbehandlung in diesem Fall die Randnitrierung, Oberflächenkonditionierung und Rekristallisation des Grundwerkstoffs umfassen kann und anschließend die

Schmelztauchbeschichtung in einem kontinuierlichen

Verfahrensablauf in-line auf die Glühbehandlung folgend durchgeführt werden kann. Dabei ist es grundsätzlich denkbar, die vom Stahlflachprodukt durchlaufene

Ofenstrecke über ihre gesamte Länge mit NH₃-haltigem Gas zu fluten. Um nicht alle Komponenten des Durchlaufofens der aufstickenden Atmosphäre auszusetzen, kann es jedoch auch vorteilhaft sein, einen Abschnitt der Ofenstrecke von den anderen Abschnitten des Ofens abzuteilen und nur diesen abgeteilten Abschnitt mit der NH₃-haltigen

Atmosphäre zu beaufschlagen.

Um im Fall einer insbesondere als Feuerbeschichtung durchgeführten Schmelztauchbeschichtung des geglühten Stahlflachprodukts eine optimale Haftung der Beschichtung auf dem Stahlsubstrat zu sichern, kann vor der

Feuerbeschichtung eine Oxidation der Oberfläche des Stahlflachprodukts durchgeführt werden. Im Zuge der bevorzugt durch Schmelztauchbeschichten durchgeführten Oberflächenveredelung eines

erfindungsgemäß erzeugten Stahlflachprodukts können auf dem Stahlsubstrat an sich bekannte Überzugssysteme aufgebracht werden, die auf Zn, AI, Zn-Al, Zn-Mg, Zn-Ni, Zn-Fe, Al-Mg, Äl-Si, Zn-Al-Mg oder Zn-Al-Mg-Si basieren. Im Anschluss an die Schmelztauchbeschichtung können weitere Wärmbehandlungsschritte durchgeführt werden, um die metallische Schutzbeschichtung in bestimmter Weise auszuprägen. Bei Bedarf kann auch kontinuierlich nach dem Schmelztauchbeschichten eine Diffusionsglühung, z.B. eine Galvanealing-Behandlung, erfolgen .

Alternativ oder ergänzend zur in-line erfolgenden

Schmelztauchveredelung kann ein Stahlflachprodukt, an dem in erfindungsgemäßer Weise in einer Durchlaufglühe eine feinstrukturierte Nitrierschicht ausgebildet wurde, einen metallischen, einen metallisch-anorganischen oder einen metallisch-organischen Überzug erhalten, indem es elektrolytisch z.B. mit einem Zn-, einem ZnNi- oder einem ZnFe-Überzug, mittels PVD- oder CVD-Abscheidung oder mittels eines anderen metall-organischen oder metallanorganischen Überzugsverfahrens beschichtet wird.

Um die mechanischen Eigenschaften weiter zu optimieren, kann sich an die erfindungsgemäße Glühbehandlung eine in konventioneller Weise durchgeführte

Überalterungsbehandlung anschließen .

Aus einem erfindungsgemäß behandelten Stahlflachprodukt warmgeformte und anschließend gehärtete Bauteile weisen Zugfestigkeiten von 800 - 2000 MPa, insbesondere

900 - 2000 MPa, auf.

Die erfindungsgemäß erzeugte Nitrierschicht erlaubt es, das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt problemlos auf eine Austenitisierungstemperatur zu erwärmen, bei der das Stahlflachprodukt ein weitestgehend vollständig

austenitisches Gefüge besitzt. Selbst bei einer so hohen Temperatur ist bei einem erfindungsgemäß erzeugten

Stahlflachprodukt auch dann die Gefahr einer Versprödung minimiert, wenn das Stahlflachprodukt mit einer

metallischen Beschichtung versehen ist, deren

Schmelztemperatur kleiner oder gleich der

Erwärmungstemperatur ist. Die durch die erfindungsgemäße Nitrierung erzielte Feinkörnigkeit der Randschicht verhindert eine Rissbildung und stellt so sicher, dass kein Metall der Beschichtung in den Kernbereich bzw.

Grundwerkstoff des Stahlsubstrats eindringen kann.

Durch die erfindungsgemäße Erzeugung einer

feinstrukturierten, aufgestickten Nitrierschicht wird somit bei der bevorzugt direkt, d.h. ohne vorherige

Vorformung der Platine durchgeführten Warmumformung die von einer metallischen Beschichtung, insbesondere einem Zinküberzug, die andernfalls in Folge von Diffusion des Überzugmetalls auf die Korngrenzen eintretende

Festmetallversprödung verhindert. Ebenso verhindert die erfindungsgemäße Vorgehensweise in Folge der sich aus der Aufstickung ergebenden, hinsichtlich des

Fe /Überzugsmetall-Verhältnisses vorteilhaften Überzugsausbildung die Entstehung von Lotrissen und wirkt so der Flüssigmetallversprödung entgegen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Anschliff einer erfindungsgemäß nitriergeglühten Stahlprobe;

Fig. 2 einen senkrechten Anschliff einer nicht geglühten, walzharten Vergleichsprobe;

Fig. 3 GDOES-Tiefenprofile des Stickstoffgehaltes der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Proben;

Fig. 4 einen senkrechten Anschliff des Zugzonenbereichs eines aus der Stahlprobe gemäß Fig. 1 geformten Stahlbauteils ;

Fig. 5 einen senkrechten Anschliff des Zugzonenbereichs eines aus der walzharten Stahlprobe gemäß Fig. 2 geformten Stahlbauteils.

Zur Überprüfung der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Effekte sind jeweils walzharte Kaltbandproben eines Mehrphasenstahls "MP" sowie eines üblicherweise für die Warmumformung eingesetzten Stahls "WU" erzeugt worden. Die Zusammensetzungen der Stähle MP und WU sind in Tabelle 1 angegeben.

Zwei aus den Stählen MP und WU gefertigte Proben sind in einem Durchlaufofen für eine Randschichtnitrierung einer erfindungsgemäßen Glühbehandlung unterzogen worden. Die dabei angewendeten Glühparameter sind in Tabelle 2 angegeben .

Zum Vergleich sind zwei weitere aus den Stählen MP und WU gefertigte Proben in dem Durchlaufofen einer

konventionellen Glühung unterzogen worden, wie sie üblicherweise zur Vorbereitung einer

Schmelztauchverzinkung durchgeführt wird.

In Fig. 1 ist das Schliffbild der aus dem Stahl WU erzeugten und erfindungsgemäß glühbehandelten Probe dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich in Folge der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ein

feinstrukturierter oberflächennaher Gefügebereich

{Nitrierschicht "N") eingestellt hat.

Das Schliffbild der ebenfalls aus dem Stahl WU erzeugten, walzharten Probe zeigt dagegen keine solche

Nitrierschicht (Fig. 2).

An den jeweils aus dem Stahl WU bestehenden

erfindungsgemäß glühbehandelten bzw. walzharten Proben sind zusätzlich GDOES-Messungen des Stickstoffgehaltes durchgeführt worden. Bei dem GDOES-Messverfahren ("GDOES" = Glow Discharge Optical Emission Spectrometre ) handelt es sich um ein Standartverfahren zum schnellen Erfassen eines Konzentrationsprofils von Beschichtunge . Es ist beispielsweise im VDI-Lexikon Werkstofftechnik, hrsg. von Hubert Grafen, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1993

beschriebe . Das Ergebnis der GDOES-Messungen ist in Fig. 3

zusammengefasst , wobei die gestrichelte Linie die

Stickstoffverteilung der walzharten Probe und die

durchgezogene Linie die Stickstoffverteilung der

erfindungsgemäß behandelten Probe wiedergibt.

Auch Fig. 3 zeigt deutlich, dass die erfindungsgemäß behandelte Probe eine ausgeprägte aufgestickte

Nitrierschicht N aufweist, deren Dicke ca. 20 μπι beträgt.

Anhand von Mikrohärte-Messungen konnte nachgewiesen werden, dass der bei der aus dem Stahl WU erzeugten, erfindungsgemäß wärmebehandelten Probe aufgestickte

Nitrierbereich N eine Mikrohärte von 340 HV und der nicht nitrierte Kernbereich (Grundwerkstoff) K eine Härte von 180 HV aufweist. Das Verhältnis Hv_N/Hv_K aus Härte Hv_N der aufgestickten Nitrierschicht N zu Härte Hv_K des

Kernbereichs K lag somit bei ca. 1,9 und damit deutlich über dem erfindungsgemäß für dieses Verhältnis

vorgegebenen Wert von 1,25.

Im Anschluss an die Glühung erfolgte eine

Oberflächenveredelung der Proben, bei der Zink

elektrolytisch mit einer Schichtdicke von 10 pm auf die Proben aufgebracht worden ist.

Anschließend sind die aus dem Stahl WU bestehenden Proben mittels des so genannten einstufigen bzw. direkten

Warmumformverfahrens zu einem Stahlbauteil umgeformt und pressgehärtet worden. Die Proben sind dazu über eine Austenitisierungszeit von 6 Minuten bei einer

Austenitisierungstemperatur von 880 °C durcherwärmt und anschließend in einem Warmpressformwerkzeug zu einem Bauteil für eine Automobilkarosserie warmgeformt worden.

Nach der Warmformgebung sind die erhaltenen Bauteile in an sich bekannter Weise so schnell abgekühlt worden, dass sich Härtegefüge gebildet hat.

Der Vergleich der Fig. 4 und 5 macht deutlich, dass es bei dem in erfindungsgemäßer Weise erzeugten Bauteil zu keinerlei Rissbildung im Bereich der Zugzone gekommen ist, während bei dem in konventioneller Weise erzeugten Bauteil deutliche interkristalline Rissbildung

festzustellen ist.

Für die aus dem Stahl MP erzeugten glühbehandelten, verzinkten und verformten Proben konnten für die

erfindungsgemäß und die konventionell glühbehandelten Proben vergleichbare Ergebnisse nachgewiesen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert somit die Umformeigenschaften von oberflächenveredelten

Stahlflachprodukten für die Warmumformung. Dazu wird durch eine gezielte Gas-Metall-Reaktion während des Glühprozesses vor der Oberflächenveredelung in einem Durchlaufprozess oder stückweise eine Randaufstickung erzeugt, infolge welcher sich eine feinstrukturierte, stickstoffhaltige Nitrierschicht N einstellt. Diese aufgestickte Randschicht N erhöht zum einen die

Fe-Diffusion in den Überzug und behindert den Transport des Verspröders "Überzugmetall", d.h. insbesondere Zink, auf die Korngrenzen während des vor der Warmumformung durchgeführten Glühprozesses. Im Ergebnis werden so Bauteile erhalten, bei denen das Stahlsubstrat weitestgehend vollständig rissfrei ist.

Stahl C Mn P Si V AI Cr Ti B Nb

[Gew. -%]

MP 0, 22 1,7 0, 02 0,1 0, 002 1,7 0,06 0,1 0, 005 0, 001

WU 0, 22 1, 22 0,017 0,25 0, 005 0, 025 0, 13 0, 03 0, 005 0, 003

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Verfahren zum Herstellen eines mit einer metallischen KorrosionsschutzbeSchichtung überzogenen

Stahlbauteils aus einem Stahlflachprodukt, das einen n-Gehalt von mindestens 0,4 Gew.-% aufweist, umfassend folgende Arbeitsschritte:

- Bereitstellen des Stahlflachprodukts;

- Glühen des Stahlflachprodukts in einem

Durchlaufofen

- unter einer Glühatmosphäre, die bis zu 25 Vol.-% H₂, 0,1 - 10 Vol.-% NH₃, H₂0 und als Rest N₂ sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthält und die einen zwischen -50 °C und -5 °C liegenden Taupunkt aufweist,

- bei einer Haltetemperatur, die 400 - 1100 °C beträgt,

- für eine 5 - 600 s dauernde Haltezeit,

- so dass das nach der Glühbehandlung erhaltene

Stahlflachprodukt eine 5 - 200 pm dicke, an seine freie Oberfläche angrenzende Nitrierschicht (N) aufweist, deren Korngröße feiner ist als die Korngröße der innenliegenden, von der Randschicht bedeckten Kernschicht (K) des Stahlflachprodukts;

- Beschichten des geglühten Stahlflachprodukts mit einer metallischen Schutzschicht;

- Abteilen einer Platine von dem Stahlflachprodukt;

- optional Vorformen der Platine;

- Durcherwärmen der Platine auf eine 780 - 950 °C betragende Austenitisierungstemperatur,

- Warmformen der durcherwärmten Platine zu dem

Stahlbauteil,

- beschleunigtes Abkühlen des Stahlbauteils derart, dass sich in dem Stahlflachprodukt Härtegefüge bildet .

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der H₂-Gehalt der Glühatmosphäre höchstens 10 Vol.-% beträgt.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der NH₃-Gehalt der Glühatmosphäre höchstens 5 Vol.-% beträgt .

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Taupunkt der Glühatmosphäre -40 °C bis -15 °C beträgt .

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Haltetemperatur des Glühens 680 - 840 °C beträgt.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Haltezeit des Glühens 30 - 120 s beträgt.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die gemäß DIN EN ISO 643 ermittelte Korngrößen- Kennzahl der Nitrierschicht (N) des geglühten

Stahlflachprodukts vor dem Durcherwärmen und

Warmformen der Platine um mindestens 2 kleiner ist als die Korngrößen-Kennzahl des Grundwerkstoffs (K) .

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Beschichtung des Stahlflachprodukts mit der metallischen Schutzschicht durch ein

Schmelztauchbeschichten erfolgt, das in einem

kontinuierlich auf die Glühbehandlung folgend

durchgeführten Arbeitsablauf absolviert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, d a s s vor dem

Schmelztauchbeschichten eine Oxidation der Oberfläche des Stahlflachprodukts durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h

g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das

Stahlflachprodukt kontinuierlich nach der

Schmelztauchbeschichtung diffusionsgeglüht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Beschichtung des Stahlflachprodukts mit der metallischen, metallisch-organischen oder metallischanorganischen Schutzschicht durch elektrolytisches Beschichten oder eine PVD- oder CVD-Abscheidung erfolgt .

12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die metallische Schutzschicht eine Zn-, eine AI-, eine Zn-Al-, eine Zn-Mg-, eine Zn-Ni-, eine AI-Mg-, eine Al-Si-, eine Zn-Al-Mg oder eine Zn-Al-Mg-Si- Beschichtung ist.

13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die bei der Durcherwärmung eingestellte

Austenitisierungstemperatur 860 - 950 °C beträgt.

14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Warmformen und die Abkühlung des durch das Warmformen erhaltenen Bauteils in einem Zuge

durchgeführt werden.

15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das erhaltene Bauteil einer Strahlbehandlung

unterzogen wird.