EP3489386A1 - Coated steel substrate and method for producing a hardened component from a coated steel substrate - Google Patents

Coated steel substrate and method for producing a hardened component from a coated steel substrate Download PDF

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EP3489386A1
EP3489386A1 EP18208371.7A EP18208371A EP3489386A1 EP 3489386 A1 EP3489386 A1 EP 3489386A1 EP 18208371 A EP18208371 A EP 18208371A EP 3489386 A1 EP3489386 A1 EP 3489386A1
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EP
European Patent Office
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coating
steel substrate
copper
zinc
aluminum
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18208371.7A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Leonardo Mesquita Batista
Jörg Dieter Brecht
Gerrit Berndt
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Muhr und Bender KG
Original Assignee
Muhr und Bender KG
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Filing date
Publication date
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    • C23C28/02Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C23C28/021Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material including at least one metal alloy layer
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    • B21B2205/02Tailored blanks
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    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/54Contact plating, i.e. electroless electrochemical plating

Definitions

  • the invention relates to a coated steel substrate and a method for producing a cured component from a coated substrate.
  • Coating systems for corrosion protection of metallic components as well as coated components hot-formed molded parts are well known from the prior art.
  • aluminum-silicon-coated high-strength and ultra-high-strength tempering steels in particular manganese-boron-containing tempering steels such as 22MnB5 or 34MnB5 are used.
  • aluminum-silicon coatings have a tendency to hydrogen charge during hot reduction, which can lead to hydrogen-induced cracking (hydrogen embrittlement).
  • the steel sheet has an aluminum coating and an overlying surface coating.
  • the surface coating contains a compound having a wurtzite crystal structure.
  • compounds having a wurtzite crystal structure in particular ZnO, but also AlN, GaN, InN, TiN, TlN, MnS, MnSe, ZnO, ZnS, CdS, CdSe are mentioned.
  • a steel sheet having a first aluminum-based coating and a second zinc coating and a method for producing press-hardened components is known.
  • the zinc coating has a thickness less than or equal to 1.1 microns.
  • a coated steel substrate for hot working comprising: a first coating containing at least 85% by weight of aluminum and a second coating overlying the first coating; wherein the second coating is a copper-containing coating.
  • copper-containing coating acts as a barrier against undesirable uptake of diffusible hydrogen during subsequent processing.
  • copper-containing coating shall include any coating containing copper or a copper alloy.
  • the copper-containing coating may also contain other alloying elements, especially zinc.
  • a zinc-copper coating is used which, when applied, contains at least 60 weight percent zinc and at least one weight percent copper.
  • the copper-containing coating is in particular a nanocrystalline coating or has a nanocrystalline structure.
  • nanocrystalline is understood as meaning a crystalline substance whose mean particle size is in the range of nanometers, for example less than 400 nanometers, optionally also less than 20 nanometers, in particular less than 10 nanometers.
  • the steel substrate can be, for example, a hardenable, in particular manganese-containing steel material.
  • This can include other micro-alloying elements in addition to manganese, such as niobium and / or titanium with a mass fraction of preferably at most 1000 ppm, and / or further micro-alloying elements in small proportions by weight, such as boron and / or vanadium.
  • Examples of a usable steel material are 17MnB5, 22MnB5, 26MnB5 or 34MnB5.
  • the starting material (strip material) may have a tensile strength of, for example, at least 450 MPa.
  • a molded part produced from the coated steel substrate may have a ultimate tensile strength of, for example, at least 1100 MPa, preferably at least 1300 MPa, in particular at least 1500 MPa, more preferably even at or above 1900 MPa. It is also possible that other subregions have a lower tensile strength of less than 1100 MPa and therefore higher ductility.
  • a constant thickness material or variable sheet thickness material can be used as the starting material for the steel substrate.
  • sheet thicknesses are, for example, sheets welded together from several sheets, so-called tailor welded blanks (TWB) or one-piece blanks with different thicknesses, which are produced by flexible rolling, so-called tailor rolled blanks (TRB).
  • TWB tailor welded blanks
  • TRB tailor rolled blanks
  • the steel substrate can be present both as a strip material (coil) and as a rectangular plate or shaped section.
  • the first coating contains at least 85% by weight of aluminum, including the possibility of using a pure aluminum coating (100% by weight of Al), as well as the use of an alloy containing at least 85% by weight of aluminum as the main alloying constituent and optionally further alloying constituents.
  • aluminum for example, silicon with, for example, between 5 and 15 weight percent and / or iron with up to 5 weight percent and / or other alloying elements in lower proportions.
  • aluminum coating or aluminum-based coating is generally also used for the first coating, with the said possibilities of other alloy compositions being intended to be encompassed conceptually.
  • the aluminum coating for example, in the hot dip process in a molten bath with at least 85 percent by weight of aluminum and optionally other alloying ingredients or other common coating methods are applied to the steel substrate.
  • An exemplary composition of the molten bath or coating may contain up to 3% by weight of iron, 9 to 12% by weight of silicon, and the balance of aluminum.
  • the thickness of the first coating may for example be between 5 and 50 micrometers, preferably between 10 and 35 micrometers.
  • the second coating may have a minimum thickness of, for example, at least 10 nanometers (10 nm), in particular at least 200 nanometers (200 nm).
  • the maximum thickness of the nanocrystalline coating can be, for example, up to two micrometers (2 ⁇ m), in particular up to 1500 nanometers (1500 nm), in particular up to 800 nanometers (800 nm).
  • the zinc-nickel coating alloy compositions e.g., at least 60 wt% Zn and at least 5 wt% Cu) mentioned in the present disclosure particularly refer to an upper and / or middle depth region of the zinc-nickel coating.
  • the application of the particular nano-crystalline zinc-copper coating can take place, for example, by means of electroless and / or electrolytic deposition on the aluminum-coated steel substrate.
  • the second coating may also be applied by a dipping method, PVD method, CVD method or hot dip galvanizing method.
  • the second coating when applied to the steel substrate, may contain 80 to 90% by weight of zinc and / or 10 to 20% by weight of copper. According to a first possibility, it can be provided that the second coating contains only zinc and copper.
  • the second coating may also include other alloying ingredients, in particular up to 5 weight percent iron and / or up to 10 weight percent nickel, or others.
  • the object is further achieved by a method of producing a cured molded article comprising the steps of: coating a steel substrate with an aluminum coating, wherein the aluminum coating contains at least 85 weight percent aluminum in a state applied to the steel substrate; Rolls of Steel substrate; Applying a copper-containing coating, the copper-containing coating being applied after coating the steel substrate with the aluminum coating; Working out a board from the steel substrate; Hot forming the board to produce a cured molding.
  • the same advantages are achieved with said method as with the coated steel substrate, so that reference is made to the above description. It is understood that all of the abovementioned inventive and preferred features of the coated steel substrate can also be transferred to the process, and conversely, that all features mentioned in connection with the process can also be applied to the product.
  • the copper-containing coating forms a barrier to undesirable uptake of diffusible hydrogen, especially during subsequent hot working. It has thus been found that the proposed method can achieve a reduction in the absorption of diffusible hydrogen of more than 50%. In this way, unwanted hydrogen embrittlement of the steel material can be avoided or at least reduced. Overall, therefore, a particularly high mechanical strength or wear resistance of the cured molded part is achieved.
  • the copper-containing coating can be applied as a zinc-copper coating which, when applied, contains at least 60% by weight of zinc and at least one, preferably at least 5% by weight of copper.
  • the second coating is preferably applied to the precoated steel substrate to form a crystalline or nano-crystalline structure.
  • First coating particles deposit on the surface of the precoated steel substrate and then grow to larger crystals over time.
  • the shape of the grown nanocrystals is arbitrary and can be globular to stem-shaped.
  • the preferably nano-crystalline zinc-copper coating can be applied, for example, by means of electroless deposition, electrolytic deposition, electrochemical (galvanic) deposition, PVD processes, CVD processes and / or fire-coating processes, in particular hot-dip galvanizing processes.
  • a particularly efficient process is electroless plating, or a electroless metal deposition, which is understood in particular coating methods that proceed without the use of an external power source.
  • the nano-crystalline zinc-copper coating can be applied by means of an alloyed zincate stain.
  • the zincate stain may contain at least sodium hydroxide, zinc oxide, complexing agents and metal salts such as iron and copper.
  • the pH of the alloyed zinc stain may be, for example, 11-14.
  • the coating can be carried out, for example, at temperatures between 20 ° C and 98 ° C. After coating, the coated steel substrate can be dried, for example by means of hot-air drying.
  • the period of time for applying the zinc-copper coating to the aluminum-coated steel substrate may be, for example, at least 0.5 minutes and / or up to 5.0 minutes. The longer the coating time, the thicker the nano-crystalline zinc-copper coating becomes.
  • the time period is selected so that the second coating has a thickness of 10 nanometers (10 nm) to two micrometers (2 ⁇ m), in particular from 200 nanometers (200 nm) up to 800 nanometers (800 nm).
  • the surface of the aluminum coating is activated before applying the nano-crystalline zinc-copper coating, which can be done, for example, by means of pickling.
  • an aluminum-containing stain can be used.
  • the steel substrate can optionally be degreased, depending on the surface condition. After activation, the steel substrate can optionally be dekapiert.
  • the substrate is rolled as a strip material to a desired thickness over the length.
  • the rolling can be carried out as conventional or as flexible rolling. In conventional rolling, a uniform thickness over the length is produced, while in flexible rolling a variable thickness is produced over a length of the strip material.
  • the inventive method is particularly well suited for flexibly rolled strip material, since even the thinner rolled substrate sections after application of the nano-crystalline zinc-copper coating have an increased resistance to the diffusion of hydrogen, so that even in these thinner areas, a reduced microcracking tendency given is.
  • the steel substrate may be provided with the aluminum coating before or after rolling.
  • blanks are produced from the rolled strip material.
  • This process step is also referred to as singulation.
  • the separation can be carried out by mechanical cutting or by laser cutting.
  • boards in the context of the present disclosure both rectangular metal sheets that have been cut out of the strip material, as well as form cuts to be included. Molding cuts are sheet metal elements that have been worked out of the strip material and whose outer contours have already been adapted to the shape of the final product.
  • the production of boards from the steel substrate can be carried out before or after the coating of the steel substrate with the nano-crystalline zinc-copper coating. In the first case, singulation before coating, the coating is carried out piece by piece. In the second case, singulation after coating, the coating can be carried out in a continuous process of the strip material by a dipping bath, which is particularly efficient.
  • the sheet metal blanks are hot-worked after application of the nano-crystalline zinc-copper coating, it being possible for further process steps to be interposed.
  • the board is heated to Austenitmaschinestemperatur at least in a partial area; then placed in a thermoforming mold and formed in the thermoforming mold and cooled, so that a hardened molded part is formed.
  • the heating is carried out in a suitable heating device, for example in an oven.
  • the rapid cooling of the molding in the forming tool produces a hardened, at least partially martensitic microstructure.
  • This process of hot forming and rapid cooling in a forming tool is also referred to as press hardening.
  • the zinc-copper coating Due to the zinc-copper coating, there is a significant reduction in the uptake of hydrogen in the heating device, since the zinc-copper coating prevents or at least inhibits a reaction of the water vapor with the aluminum coating. In addition, the abrasion in the tool due to the zinc-copper coating is reduced, which reduces wear and extends the life. Another advantage is that the residence time in the heating device can be reduced due to the dark surface and thus the higher degree of absorption of the zinc-copper coating. Finally, another advantage is that the zinc-copper coating can be phosphated in a later step, or that a phosphate layer adheres to the zinc-copper coating, which is not the case with an aluminum-coated surface.
  • the hot working may be carried out as an indirect process according to a first possibility, comprising the substeps of cold preforming, then heating the cold preformed component to austenitizing temperature, followed by hot working to produce the final contour of the product.
  • the hot forming can also be carried out as a direct process according to a second possibility, which is characterized in that the component is heated directly to Austenitmaschinestemperatur and then hot-formed to the desired final contour in one step. A previous (cold) preforming does not take place here.
  • the hydrogen loading in the hot forming process according to the present method is particularly low, can be dispensed with a dew point control in the oven.
  • Another advantage of the zinc-copper coating is that after press hardening surface cleaning may be dispensed with and that the surface of the zinc-copper coating allows phosphating, which in turn leads to better corrosion protection.
  • FIGS. 1 to 8 will be described together below.
  • FIG. 1 shows a process according to the invention for producing a cured product from a coated steel substrate 2 after a first process.
  • a hardenable flat steel product is included, which is produced from a steel material, which may have a yield strength of 150 to 1100 MPa and a tensile strength of 300 to 1200 MPa.
  • the steel material may have a carbon content of at least 0.1% by mass, especially at least 0.2% by mass, up to 0.35% by mass.
  • 22MnB5 may be used as steel substrate 2, although other hardenable, especially manganese-containing, steel materials may be used, such as 17MnB5, 26MnB5 or 34MnB5.
  • the flat steel product can be present as strip material or boards produced therefrom.
  • the steel substrate 2 which is wound on a coil 3 in the initial state and can also be referred to as steel strip or strip material, is provided with a first coating 4.
  • the first coating when applied to the steel substrate, contains at least 85 weight percent aluminum.
  • the first coating further comprises up to 15 weight percent silicon. It is understood that other alloying elements may be included at the expense of the silicon content, for example iron and / or others with a total of up to 5 weight percent.
  • the aluminum coating is applied to the steel substrate 2 in the hot dip process in a molten bath 5 of a coating device 6, wherein other conventional coating methods such as electrolytic coating are also conceivable.
  • the coated steel substrate 2 is rolled.
  • FIG. 4A For example, the surface of the aluminum-coated steel substrate 2 after rolling is shown in a greatly enlarged view by a scanning electron microscope. The rolling tracks or the rolling direction can be seen, which is shown as arrow R.
  • the coated steel substrate 2 is rolled in the present case by means of flexible rolling, without being limited thereto.
  • the steel strip 2 which has a largely constant sheet thickness over the length before the flexible rolling, rolled by means of rollers 7, 8 such that it receives along the rolling direction a variable sheet thickness.
  • the process is monitored and controlled, using the data determined by a sheet thickness measurement 9 as an input signal for controlling the rolls 7, 8.
  • the strip material 2 has different thicknesses in the rolling direction.
  • the strip material 2 is rewound to the coil 3 after the flexible rolling, so that it can be fed to the next process step.
  • the steel strip 2 can also be rolled over the length by means of a conventional rolling method, that is to say with a uniform sheet thickness.
  • the application of the first coating (S1) can also take place after rolling (S2), that is to say by reversing the sequence of steps S1 and S2.
  • the steel strip 2 can be smoothed in a subsequent process step, which takes place in a belt straightening device.
  • the smoothing step is optional and may be omitted.
  • the aluminum-coated steel substrate 2 is separated in process step S3. Depending on the shape of the sheet metal blanks to be produced, these can be punched out of the strip material 2 as a shaped cut, wherein a not further used edge is omitted as scrap , or the strip material 2 can be easily cut into sections.
  • the aluminum-coated steel substrate 2 which is now in the form of blanks, is coated with a second coating 11.
  • the second coating is applied as a nano-crystalline zinc-copper coating 11 on the steel substrate 2, wherein the second coating in the applied state, at least 60 weight percent zinc and at least 5 weight percent copper and optionally other alloying ingredients such as up to 5 weight percent iron and / or up to 10 weight percent nickel.
  • the structure of the steel substrate 2 provided with aluminum coating 4 and zinc-copper coating 11 is shown in FIG FIG. 3A shown schematically and in FIG. 3B as a scanning electron microscope, enlarged view of section III off FIG. 3A shown. It can be seen that the nano-crystalline zinc-copper coating 11 is substantially thinner than the aluminum coating 4.
  • the aluminum coating 4 may for example have a thickness D4 of between 5 and 50 micrometers, preferably between 10 and 35 micrometers.
  • the thickness D11 of the layer structure of the zinc-copper coating 11 depends on the type and duration of the coating process and may for example be between 10 nanometers and 2 micrometers.
  • a greatly enlarged plan view of the surface of the nano-crystalline zinc-copper coating 11 provided steel substrate is in FIG. 4B shown. It is the fine-grained crystalline structure of the zinc-copper coating 11 can be seen and the rolling tracks generated by rolling, which are shown as the rolling direction R. In this case, the grown crystals may on average have a longest extent of, for example, less than 400 nm.
  • the shape of the crystals is arbitrary according to growth and may be globular to stem-shaped.
  • the zinc-copper coating 11 is applied to the aluminum-coated steel substrate 2 by means of electroless and / or electrolytic deposition.
  • the boards 2 are immersed in the present process guide individually or in groups in a filled with electrolytic liquid 12 immersion tank 13 of an electrolytic coating apparatus 14.
  • the coating is preferably carried out without current at temperatures of, in particular, between 20 ° C. and 98 ° C.
  • an alloyed zinc stain may be used, which may particularly contain sodium hydroxide, zinc oxide, complexing agents and metal salts such as iron and copper.
  • the pH of the alloyed zincate stains may be 11-14.
  • the alloyed zinc stain may contain at least one or more of the following ingredients: sodium hydroxide 10 to 345 g / l, zinc carbonate to 87 g / l, ferrous chloride to 23 g / l, zinc oxide to 63 g / l, potassium sodium tartrate of 45 to 100 g / l, sodium gluconate to 7 g / l, salicylic acid to 4 g / l, zinc sulfate to 24 g / l, nickel sulfate to 20 g / l, sodium cyanide to 25 g / l and / or sodium nitrate to 1 g / l.
  • the deposition of the zincate layer is based on a redox reaction with the following partial reactions.
  • the elemental aluminum binds with the release of three electrons to three hydroxide groups.
  • the thin, conductive and externally stromschen deposited zincate layer contains predominantly zinc, and copper, but may also contain other metals such as nickel or iron.
  • the zincate process is influenced by the temperature of the bath, the duration of the process, the alloy type of aluminum (Al / AlSi) and by added ions. The shape of the zinc crystals changes with the solution concentration of the zincate stain.
  • the layer thickness of the deposit 11 can be varied over the residence time of the board 2 in the Zinkatbeize 12.
  • the time period is selected such that the second coating 4 has a thickness of 10 nanometers (10 nm) to two micrometers (2 ⁇ m), in particular from 200 nanometers (200 nm) to 800 nanometers (800 nm).
  • the time to apply the zinc-copper coating 11 to the aluminum-coated steel substrate 2 may be between 0.5 minutes and up to 5.0 minutes.
  • more and more copper and zinc are deposited, so that correspondingly the coating crystals grow up or more and more coating crystals are formed, so that the thickness of the nanocrystalline coating 4 increases overall over time.
  • other coating methods are possible for applying the nano-crystalline zinc-copper coating 11 on the aluminum-coated steel substrate, such as electrochemical (galvanic) deposition, PVD method, CVD method or Hot dip galvanizing.
  • the surface of the aluminum coating 4 may optionally be activated in an intermediate step.
  • the activation can be carried out, for example, by means of a pickling containing aluminum.
  • By activating the outer oxide layer of the aluminum coating 4 is removed, so that favorable conditions for connecting the aluminum coating 4 are achieved with the zinc-copper coating 11 to be applied.
  • the aluminum oxide layer can be removed wet-chemically using a zincate process.
  • a pickling solution adapted to the substrate 2 can be used.
  • the zincate stain is therefore a sodium zincate solution with excess NaOH and usually strong basic pH.
  • ZnO + 2NaOH + H2O > Na2Zn (OH) 4.
  • the upstream activation particularly good conditions for a high adhesion of the deposited zinc-copper coating 11 is achieved on the aluminum coating 4, so that an unwanted reoxidation of the aluminum is prevented.
  • the pickling process described here by way of example for activating the surface, chemical processes or mechanical processes (grinding) are also possible.
  • the boards 2 are hot-worked in step S5.
  • the semi-finished product is heated to a temperature which is usually above the AC1 or AC3 temperature of the material, for example between 750 ° C to 1000 ° C.
  • the heating can be carried out selectively by suitable methods, such as, for example, by means of inductive heating, conductive heating, heating in the roller hearth furnace, contact heating by hot plates, infrared, or other known methods.
  • suitable methods such as, for example, by means of inductive heating, conductive heating, heating in the roller hearth furnace, contact heating by hot plates, infrared, or other known methods.
  • the semi-finished product is then placed in a thermoforming mold 15 and formed therein and cooled or quenched so fast that at least partially a martensitic hardness structure formed in the molded part thus produced.
  • the hot forming (S5) can be carried out as a direct process after a first possibility.
  • the board 2 is heated directly to Austenitmaschinestemperatur and then hot-formed into the desired final contour in one step.
  • a previous (cold) preforming does not take place here.
  • the hot forming can also be carried out as an indirect process according to a second possibility, which comprises the substeps cold preforming, subsequent heating of the cold preformed component to Austenitmaschinestemperatur and subsequent hot forming to produce the final contour of the molded part.
  • FIG. 4C the surface of the hot-formed molding is shown greatly enlarged by means of a scanning electron microscope.
  • FIG. 4B It can be seen that the fine zinc-copper crystals present before hot-working ( FIG. 4B ) have bonded together after hot forming to larger grain structures ( FIG. 4C ).
  • FIGS. 5A and 5B are the layer structure of a steel substrate 2 coated according to the invention before ( FIG. 5A ) and after ( FIG. 5B ) shown hot working.
  • GDOES glow discharge spectroscopy
  • Glow discharge spectroscopy refers to a spectroscopic method for the quantitative analysis of metals and other non-metallic solids.
  • ⁇ m micrometers
  • the mass concentration (k) of the respective alloy components is shown in percent. The mass concentration (k) is scaled with the values in the right boxes.
  • the absolute proportions of the respective alloying elements are given by the percentages readable on the y-axis multiplied by the respective scale value indicated in the box.
  • Cu copper
  • the proportions of aluminum and silicon After hot forming ( FIG. 5B ), the proportions of aluminum and silicon, starting from a depth between about 1 .mu.m and 20 .mu.m, have shifted into greater depths of more than 30 .mu.m into the steel substrate due to diffusion processes, and reduced accordingly.
  • the proportion of aluminum after hot working at a depth of 1 .mu.m is about 40% and that of silicon is about 4%, whereas the proportion of iron has increased to about 50%.
  • diffusion processes have led to a change in the mass concentration.
  • the proportion of zinc on the surface has been reduced from about 54% to about 50% and that of copper from about 7.6% before hot forming to 2% after hot working.
  • FIG. 6A and 6B are scanning electronical recordings of the surfaces of a only with aluminum coating 4 (but not with zinc-copper coating) coated workpiece ( FIG. 6A ) and a workpiece coated according to the invention with aluminum coating 4 and zinc-copper coating 11 applied thereon ( FIG. 6B ) faced each other.
  • the substrate with aluminum coating (without further coating above) according to FIG. 6A is a relatively rough surface structure recognizable.
  • the substrate 2 according to the invention has applied to the aluminum coating 4 zinc-copper coating 11 according to FIG. 6B a very fine-grained or fine-crystalline surface structure.
  • a significant advantage of the present method is that the zinc-copper coating 11 in the heating device prevents or at least inhibits a reaction of water vapor with the aluminum coating 4. Consequently, the risk of hydrogen embrittlement is minimized, which has an overall positive effect on the strength and life of the molded part.
  • FIG. 7 shows the comparison results mentioned, wherein the amount of absorbed diffusible hydrogen (Hdiff) is indicated on the y-axis.
  • the column to the left of the dashed line indicates the absorbed hydrogen for workpieces that have only been provided with aluminum coating 4 (but not zinc-copper coating).
  • the three columns on the right of the dashed line indicate the absorbed hydrogen for workpieces that have been provided according to the invention with aluminum coating 4 and applied thereon zinc-copper coating 11, for different coating periods of one minute (left column), 3rd Minutes (middle column) and 5 minutes (right column). It can be seen that the Absorption of diffusible hydrogen (Hdiff) decreases with increasing duration or increasing thickness of the zinc-copper coating 11.
  • Hdiff diffusible hydrogen
  • a further advantage of the steel substrate coated according to the invention or of the method according to the invention is that the abrasion in the thermoforming tool 15 is reduced due to the zinc-copper coating 11.
  • FIG. 8 shows the heating rates of steel substrate 2 coated according to the invention, shown in solid line, and conventional aluminum-coated steel substrate, shown as a dot-dash line.
  • T degrees Celsius
  • t seconds
  • the Ac3 temperature which is about 870 ° C. for 22MnB5
  • the residence time of the steel substrate 2 according to the invention can be reduced in the heating device, resulting in faster cycle times.
  • the zinc-copper coating 11 in a later step may be phosphated, or that a phosphate layer adheres to the zinc-copper coating 11, which is not the case with an aluminum-coated surface.
  • the phosphate layer improves the adhesion of a cathodic dip coating to be applied later to the molded part, which in turn leads to improved corrosion protection.
  • the process control according to the invention can also be modified.
  • intermediate steps which are not separately shown here can also be provided between the mentioned steps.
  • the coated steel substrate 2 can be provided with a protective layer, for example a lacquer, which protects the coating until hot-forming.
  • FIG. 2 shows a method according to the invention for producing a molded part from a steel substrate 2 according to a second process procedure. This largely corresponds to the method according to FIG. 1 , so that reference is made to the above description in terms of similarities. The same or modified components or steps are provided with the same reference numerals, as in FIG. 1 , In the following, the differences between the present method will be discussed.
  • step S3 The only difference of the present process management consists in the order of the steps of applying the nano-crystalline coating 11 (step S3) and singulating (step S4), which compared to the method according to FIG. 1 are turned over. That is, according to the present method FIG. 2 After the rolling (S2), the band-shaped aluminum-coated steel substrate 2 is provided with the nano-crystalline zinc-copper coating 11 in step S3. This is done in a continuous process by a filled with electrolytic liquid 12 immersion tank 13. Clearly the application of the nano-crystalline zinc-copper coating 11 takes place as in the embodiment according to FIG. 1 with a zincate stain. With regard to all other details, reference is made to the above description to avoid repetition.
  • step S4 After the application of the nano-crystalline coating 11, the separation into boards takes place in step S4. This is done as in the method according to FIG. 1 , to the description of which reference is made. After separation, there is a board provided with aluminum coating 4 and with nano-crystalline zinc-copper coating 11, which is subsequently supplied to the hot forming. Hot forming takes place as in the process FIG. 1 , to the description of which reference is again made. All details according to the FIGS. 3 to 8 apply to the present method FIG. 2 alike.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Stahlsubstrat zum Warmumformen, umfassend: eine erste Beschichtung (4), die zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium enthält, und eine zweite Beschichtung (11), welche die erste Beschichtung (4) überlagert, wobei die zweite Beschichtung (11) eine Kupfer-enthaltende Beschichtung ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Formteils mit den Schritten: Beschichten eines Stahlsubstrats (2) mit einer Aluminium-Beschichtung (4), Aufbringen einer Kupfer-enthaltenden Beschichtung (11); Herausarbeiten einer Platine aus dem Stahlsubstrat (2); und Warmumformen der Platine zum Erzeugen eines gehärteten Formteils.The invention relates to a coated steel substrate for hot forming, comprising: a first coating (4) containing at least 85% by weight of aluminum and a second coating (11) overlying the first coating (4), the second coating (11) comprising a first coating (4) Copper-containing coating is. The invention further relates to a method for producing a hardened molded article comprising the steps of: coating a steel substrate (2) with an aluminum coating (4), applying a copper-containing coating (11); Working out a board from the steel substrate (2); and hot working the board to produce a cured molding.

Description

Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Stahlsubstrat und ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Bauteils aus einem beschichteten Substrat.The invention relates to a coated steel substrate and a method for producing a cured component from a coated substrate.

Beschichtungssysteme zum Korrosionsschutz von metallischen Bauteilen sowie aus beschichteten Bauteilen warmumgeformte Formteile sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Für sicherheitsrelevante Karosseriebauteile von Kraftfahrzeugen werden in der Praxis beispielsweise Aluminium-Silizium-beschichtete hochfeste sowie ultrahochfeste Vergütungsstähle, im Speziellen mangan-borhaltige Vergütungsstähle wie beispielsweise 22MnB5 oder 34MnB5 eingesetzt. Allerdings haben Aluminium-Silizium-Beschichtungen eine Neigung zur Wasserstoffbeladung während der Warmumfomung, was zu einer Wasserstoffinduzierten-Rissbildung (Wasserstoffversprödung) führen kann. Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, auf die Aluminium-Beschichtung eine weitere Beschichtung aufzubringen. Diese weitere Beschichtung soll eine ungewünschte Wasserstoffaufnahme der Aluminium-Beschichtung während des Warmformprozesses vermindern.Coating systems for corrosion protection of metallic components as well as coated components hot-formed molded parts are well known from the prior art. For safety-related body parts of motor vehicles, for example, aluminum-silicon-coated high-strength and ultra-high-strength tempering steels, in particular manganese-boron-containing tempering steels such as 22MnB5 or 34MnB5 are used. However, aluminum-silicon coatings have a tendency to hydrogen charge during hot reduction, which can lead to hydrogen-induced cracking (hydrogen embrittlement). To avoid this, it is known to apply a further coating to the aluminum coating. This additional coating is intended to reduce unwanted hydrogen uptake of the aluminum coating during the thermoforming process.

Aus der EP 2 270 257 A1 , entsprechend der US 2012/0073351 A1 , ist ein beschichtetes Stahlblech und ein Verfahren zum Warmumformen eines beschichteten Stahlblechs bekannt. Das Stahlblech weist eine Aluminium-Beschichtung und eine darüber liegende Oberflächenbeschichtung auf. Die Oberflächenbeschichtung enthält eine Verbindung mit einer Wurtzit-Kristallstruktur. Als Verbindungen mit einer Wurtzit-Kristallstruktur werden insbesondere ZnO, aber auch AlN, GaN, InN, TiN, TlN, MnS, MnSe, ZnO, ZnS, CdS, CdSe genannt.From the EP 2 270 257 A1 , according to the US 2012/0073351 A1 , a coated steel sheet and a method for hot working a coated steel sheet is known. The steel sheet has an aluminum coating and an overlying surface coating. The surface coating contains a compound having a wurtzite crystal structure. As compounds having a wurtzite crystal structure, in particular ZnO, but also AlN, GaN, InN, TiN, TlN, MnS, MnSe, ZnO, ZnS, CdS, CdSe are mentioned.

Aus der WO2016132194A1 ist ein Stahlblech mit einer ersten Beschichtung auf Aluminiumbasis und einer zweiten Beschichtung aus Zink sowie ein Verfahren zur Herstellung von pressgehärteten Bauteilen bekannt. Die Zink-Beschichtung hat eine Dicke kleiner oder gleich 1,1 Mikrometer.From the WO2016132194A1 For example, a steel sheet having a first aluminum-based coating and a second zinc coating and a method for producing press-hardened components is known. The zinc coating has a thickness less than or equal to 1.1 microns.

Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein warmumformbares beschichtetes Stahlblech vorzuschlagen, das im Rahmen des Warmumformungsprozesses einer besonders geringen Wasserstoffaufnahme unterliegt und dessen Oberfläche eine einfache und gute Weiterverarbeitung ermöglicht.It is an object of the present invention to propose a hot-formable coated steel sheet which, as part of the hot-forming process, is subject to a particularly low hydrogen absorption and whose surface enables simple and good further processing.

Zur Lösung wird ein beschichtetes Stahlsubstrat zum Warmumformen vorgeschlagen, umfassend: eine erste Beschichtung, die zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium enthält, und eine zweite Beschichtung, welche die erste Beschichtung überlagert; wobei die zweite Beschichtung eine Kupfer-enthaltende Beschichtung ist.For solution, a coated steel substrate for hot working is proposed comprising: a first coating containing at least 85% by weight of aluminum and a second coating overlying the first coating; wherein the second coating is a copper-containing coating.

Ein Vorteil des beschichteten Stahlsubstrats ist, dass die Kupfer-enthaltende Beschichtung eine Barriere gegen eine ungewünschte Aufnahme von diffusiblem Wasserstoff bei nachfolgenden Bearbeitungsprozess fungiert. Mit Kupfer-enthaltender Beschichtung soll im Rahmen dieser Offenbarung jede Beschichtung mit umfasst sein, die Kupfer oder eine Kupfer-Legierung enthält. Die Kupfer-enthaltende Beschichtung kann auch weitere Legierungselemente enthalten, insbesondere Zink. Vorzugsweise wird eine Zink-Kupfer-Beschichtung verwendet, die in aufgebrachtem Zustand mindestens 60 Gewichtsprozent Zink und mindestens ein Gewichtsprozent Kupfer enthält. Die Kupfer-enthaltende Beschichtung ist insbesondere eine nanokristalline Beschichtung beziehungsweise hat eine nanokristalline Struktur. Als nanokristallin wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein kristalliner Stoff verstanden, dessen mittlere Korngröße im Bereich von Nanometern liegt, beispielsweise kleiner 400 Nanometern, gegebenenfalls auch kleiner 20 Nanometern, insbesondere kleiner 10 Nanometern.An advantage of the coated steel substrate is that the copper-containing coating acts as a barrier against undesirable uptake of diffusible hydrogen during subsequent processing. For the purposes of this disclosure, copper-containing coating shall include any coating containing copper or a copper alloy. The copper-containing coating may also contain other alloying elements, especially zinc. Preferably, a zinc-copper coating is used which, when applied, contains at least 60 weight percent zinc and at least one weight percent copper. The copper-containing coating is in particular a nanocrystalline coating or has a nanocrystalline structure. Within the scope of the present disclosure, nanocrystalline is understood as meaning a crystalline substance whose mean particle size is in the range of nanometers, for example less than 400 nanometers, optionally also less than 20 nanometers, in particular less than 10 nanometers.

Das Stahlsubstrat kann beispielsweise ein härtbarer, insbesondere manganhaltiger Stahlwerkstoff sein. Dieser kann neben Mangan weitere Mikrolegierungselemente beinhalten, wie beispielsweise Niob und/oder Titan mit einem Masseanteil von vorzugsweise maximal 1000 ppm, und/oder weitere Mikrolegierungselemente in geringen Masseanteilen, wie Bor und/oder Vanadium. Beispiele für einen verwendbaren Stahlwerkstoff sind 17MnB5, 22MnB5, 26MnB5 oder 34MnB5. Das Ausgangsmaterial (Bandmaterial) kann eine Zugfestigkeit von beispielsweise mindestens 450 MPa aufweisen. Ein aus dem beschichteten Stahlsubstrat hergestelltes Formteil kann eine Endzugfestigkeit von beispielsweise mindestens 1100 MPa, vorzugsweise mindestens 1300 MPa, insbesondere mindestens 1500 MPa, besonders bevorzugt sogar von 1900 MPa oder darüber zumindest in Teilbereichen aufweisen. Es ist auch möglich, dass andere Teilbereiche eine niedrigere Zugfestigkeit von weniger als 1100 MPa und dafür höherer Duktilität aufweisen.The steel substrate can be, for example, a hardenable, in particular manganese-containing steel material. This can include other micro-alloying elements in addition to manganese, such as niobium and / or titanium with a mass fraction of preferably at most 1000 ppm, and / or further micro-alloying elements in small proportions by weight, such as boron and / or vanadium. Examples of a usable steel material are 17MnB5, 22MnB5, 26MnB5 or 34MnB5. The starting material (strip material) may have a tensile strength of, for example, at least 450 MPa. A molded part produced from the coated steel substrate may have a ultimate tensile strength of, for example, at least 1100 MPa, preferably at least 1300 MPa, in particular at least 1500 MPa, more preferably even at or above 1900 MPa. It is also possible that other subregions have a lower tensile strength of less than 1100 MPa and therefore higher ductility.

Als Ausgangsmaterial für das Stahlsubstrat kann konstant dickes Material oder Material mit variabler Blechdicke verwendet werden. Beispiele für unterschiedliche Blechdicken sind beispielsweise aus mehreren Blechen zusammengeschweißte Platinen, sogenannte Tailor Welded Blanks (TWB) oder einteilige Platinen mit unterschiedlichen Dicken, die durch Flexibles Walzen hergestellt sind, sogenannte Tailor Rolled Blanks (TRB). Das Stahlsubstrat kann sowohl als Bandmaterial (Coil) als auch als Rechteckplatine oder Formschnitt vorliegen.As the starting material for the steel substrate, a constant thickness material or variable sheet thickness material can be used. Examples of different sheet thicknesses are, for example, sheets welded together from several sheets, so-called tailor welded blanks (TWB) or one-piece blanks with different thicknesses, which are produced by flexible rolling, so-called tailor rolled blanks (TRB). The steel substrate can be present both as a strip material (coil) and as a rectangular plate or shaped section.

Die erste Beschichtung enthält zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium, was die Möglichkeit der Verwendung einer reinen Aluminium-Beschichtung (100 Gew.% Al) mit umfasst, ebenso wie die Verwendung einer Legierung, die als Hauptlegierungsbestandteil Aluminium mit mindestens 85 Gewichtsprozent und optional weitere Legierungsbestandteile enthält, beispielsweise Silizium mit beispielsweise zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent und/oder Eisen mit bis zu 5 Gewichtsprozent und/oder andere Legierungselemente in geringeren Anteilen. Im Rahmen der vorliegende Offenbarung wird aufgrund des Hauptbestandteils Aluminium allgemein auch die Bezeichnung Aluminium-Beschichtung oder Aluminium-basierte Beschichtung für die erste Beschichtung verwendet, womit die genannten Möglichkeiten anderer Legierungszusammensetzungen begrifflich mit umfasst sein sollen. Die Aluminium-Beschichtung kann beispielsweise im Schmelztauchverfahren in einem Schmelzbad mit mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium und gegebenenfalls weiteren Legierungsbestandteilen oder anderen üblichen Beschichtungsverfahren auf das Stahlsubstrat aufgetragen werden. Eine beispielhafte Zusammensetzung des Schmelzbads beziehungsweise der aufgebrachten Beschichtung kann bis zu 3 Gewichtsprozent Eisen, 9 bis 12 Gewichtsprozent Silizium und Rest Aluminium enthalten. Die Dicke der ersten Beschichtung kann beispielsweise zwischen 5 und 50 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 10 und 35 Mikrometer liegen.The first coating contains at least 85% by weight of aluminum, including the possibility of using a pure aluminum coating (100% by weight of Al), as well as the use of an alloy containing at least 85% by weight of aluminum as the main alloying constituent and optionally further alloying constituents. For example, silicon with, for example, between 5 and 15 weight percent and / or iron with up to 5 weight percent and / or other alloying elements in lower proportions. In the context of the present disclosure, due to the main constituent aluminum, the term aluminum coating or aluminum-based coating is generally also used for the first coating, with the said possibilities of other alloy compositions being intended to be encompassed conceptually. The aluminum coating, for example, in the hot dip process in a molten bath with at least 85 percent by weight of aluminum and optionally other alloying ingredients or other common coating methods are applied to the steel substrate. An exemplary composition of the molten bath or coating may contain up to 3% by weight of iron, 9 to 12% by weight of silicon, and the balance of aluminum. The thickness of the first coating may for example be between 5 and 50 micrometers, preferably between 10 and 35 micrometers.

Die zweite Beschichtung kann eine Mindestdicke von beispielsweise mindestens 10 Nanometern (10 nm), insbesondere mindestens 200 Nanometern (200 nm) aufweisen. Die maximale Dicke der nanokristallinen Beschichtung kann beispielsweise bis zu zwei Mikrometern (2 µm), insbesondere bis zu 1500 Nanometern (1500 nm), insbesondere bis zu 800 Nanometern (800 nm) betragen. Die in der vorliegenden Offenbarung genannten Legierungszusammensetzungen für die Zink-Nickel-Beschichtung (z.B. mindestens 60 Gew.% Zn und mindestens 5 Gew% Cu) beziehen sich insbesondere auf einen oberen und/oder mittleren Tiefenbereich der Zink-Nickel-Beschichtung.The second coating may have a minimum thickness of, for example, at least 10 nanometers (10 nm), in particular at least 200 nanometers (200 nm). The maximum thickness of the nanocrystalline coating can be, for example, up to two micrometers (2 μm), in particular up to 1500 nanometers (1500 nm), in particular up to 800 nanometers (800 nm). The zinc-nickel coating alloy compositions (e.g., at least 60 wt% Zn and at least 5 wt% Cu) mentioned in the present disclosure particularly refer to an upper and / or middle depth region of the zinc-nickel coating.

Das Aufbringen der insbesondere nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung kann beispielsweise mittels stromloser und/oder elektrolytischer Abscheidung auf dem Aluminium-beschichteten Stahlsubstrat erfolgen. Alternativ kann die zweite Beschichtung auch durch ein Tauchverfahren, PVD-Verfahren, CVD-Verfahren oder Feuerverzinkungsverfahren aufgebracht werden.The application of the particular nano-crystalline zinc-copper coating can take place, for example, by means of electroless and / or electrolytic deposition on the aluminum-coated steel substrate. Alternatively, the second coating may also be applied by a dipping method, PVD method, CVD method or hot dip galvanizing method.

Die zweite Beschichtung kann in auf das Stahlsubstrat aufgebrachtem Zustand insbesondere 80 bis 90 Gewichtsprozent Zink und/oder 10 bis 20 Gewichtsprozent Kupfer enthalten. Nach einer ersten Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass die zweite Beschichtung nur Zink und Kupfer enthält. Alternativ kann die zweite Beschichtung auch weitere Legierungsbestandteile beinhalten, insbesondere bis zu 5 Gewichtsprozent Eisen und/oder bis zu 10 Gewichtsprozent Nickel, oder andere.In particular, the second coating, when applied to the steel substrate, may contain 80 to 90% by weight of zinc and / or 10 to 20% by weight of copper. According to a first possibility, it can be provided that the second coating contains only zinc and copper. Alternatively, the second coating may also include other alloying ingredients, in particular up to 5 weight percent iron and / or up to 10 weight percent nickel, or others.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Formteils mit den Schritten: Beschichten eines Stahlsubstrats mit einer Aluminium-Beschichtung, wobei die Aluminium-Beschichtung in auf das Stahlsubstrat aufgebrachtem Zustand mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium enthält; Walzen des Stahlsubstrats; Aufbringen einer Kupfer-enthaltenden Beschichtung, wobei das Aufbringen der Kupfer-enthaltenden Beschichtung nach dem Beschichten des Stahlsubstrats mit der Aluminium-Beschichtung erfolgt; Herausarbeiten einer Platine aus dem Stahlsubstrat; Warmumformen der Platine zum Erzeugen eines gehärteten Formteils.The object is further achieved by a method of producing a cured molded article comprising the steps of: coating a steel substrate with an aluminum coating, wherein the aluminum coating contains at least 85 weight percent aluminum in a state applied to the steel substrate; Rolls of Steel substrate; Applying a copper-containing coating, the copper-containing coating being applied after coating the steel substrate with the aluminum coating; Working out a board from the steel substrate; Hot forming the board to produce a cured molding.

Mit dem genannten Verfahren werden im Wesentlichen dieselben Vorteile erreicht, wie mit dem beschichteten Stahlsubstrat, so dass auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei versteht es sich, dass alle oben genannten, erfindungsgemäßen und bevorzugten Merkmale des beschichteten Stahlsubstrats sich auch auf das Verfahren übertragen lassen, und umgekehrt, alle im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Merkmale auch auf das Erzeugnis übertragbar sind. Die Kupfer-enthaltende Beschichtung bildet eine Barriere gegen eine ungewünschte Aufnahme von diffusiblem Wasserstoff, insbesondere während des nachfolgenden Warmumformens. So hat es sich gezeigt, dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine Reduktion der Aufnahme von diffusiblem Wasserstoff von mehr als 50 % erreicht werden kann. Auf diese Weise können ungewünschte Wasserstoffversprödungen des Stahlwerkstoffs vermieden oder zumindest reduziert werden. Insgesamt wird somit eine besonders hohe mechanische Beanspruchbarkeit beziehungsweise Verschleißfestigkeit des gehärteten Formteils erreicht. Die Kupfer-enthaltende Beschichtung kann insbesondere als Zink-Kupfer-Beschichtung aufgebracht werden, die in aufgebrachtem Zustand mindestens 60 Gewichtsprozent Zink und mindestens ein, vorzugsweise mindestens 5 Gewichtsprozent Kupfer enthält. Die zweite Beschichtung wird vorzugsweise unter Ausbildung einer kristallartigen bzw. nano-kristallinen Struktur auf das vorbeschichtete Stahlsubstrat aufgebacht. Dabei lagern sich erste Beschichtungsteilchen an der Oberfläche des vorbeschichteten Stahlsubstrats an und wachsen dann mit der Zeit zu größeren Kristallen auf. Die Form der gewachsenen Nanokristalle ist beliebig und kann globular bis stengelförmig sein.Substantially the same advantages are achieved with said method as with the coated steel substrate, so that reference is made to the above description. It is understood that all of the abovementioned inventive and preferred features of the coated steel substrate can also be transferred to the process, and conversely, that all features mentioned in connection with the process can also be applied to the product. The copper-containing coating forms a barrier to undesirable uptake of diffusible hydrogen, especially during subsequent hot working. It has thus been found that the proposed method can achieve a reduction in the absorption of diffusible hydrogen of more than 50%. In this way, unwanted hydrogen embrittlement of the steel material can be avoided or at least reduced. Overall, therefore, a particularly high mechanical strength or wear resistance of the cured molded part is achieved. In particular, the copper-containing coating can be applied as a zinc-copper coating which, when applied, contains at least 60% by weight of zinc and at least one, preferably at least 5% by weight of copper. The second coating is preferably applied to the precoated steel substrate to form a crystalline or nano-crystalline structure. First coating particles deposit on the surface of the precoated steel substrate and then grow to larger crystals over time. The shape of the grown nanocrystals is arbitrary and can be globular to stem-shaped.

Die vorzugsweise nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung kann beispielsweise mittels stromloser Abscheidung, elektrolytischer Abscheidung, elektrochemischer (galvanischer) Abscheidung, PVD-Verfahren, CVD-Verfahren und/oder Feuerbeschichtungsverfahren, insbesondere Feuerverzinkungsverfahren, aufgebracht werden. Ein besonders effizientes Verfahren ist das stromlose Beschichten, beziehungsweise eine stromlose Metallabscheidung, worunter insbesondere Beschichtungsverfahren verstanden werden, die ohne Anwendung einer äußeren Stromquelle ablaufen. Nach einer möglichen Ausführung kann die nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung mittels einer legierten Zinkatbeize aufgebracht werden. Die Zinkatbeize kann insbesondere zumindest Natriumhydroxid, Zinkoxid, Komplexbildner und Metallsalze wie Eisen und Kupfer enthalten. Der pH-Wert der legierten Zinkatbeize kann beispielsweise 11-14 betragen. Das Beschichten kann beispielsweise bei Temperaturen zwischen 20°C und 98°C erfolgen. Nach dem Beschichten kann das beschichtete Stahlsubstrat getrocknet werden, beispielsweise mittels Heißlufttrocknung.The preferably nano-crystalline zinc-copper coating can be applied, for example, by means of electroless deposition, electrolytic deposition, electrochemical (galvanic) deposition, PVD processes, CVD processes and / or fire-coating processes, in particular hot-dip galvanizing processes. A particularly efficient process is electroless plating, or a electroless metal deposition, which is understood in particular coating methods that proceed without the use of an external power source. According to one possible embodiment, the nano-crystalline zinc-copper coating can be applied by means of an alloyed zincate stain. In particular, the zincate stain may contain at least sodium hydroxide, zinc oxide, complexing agents and metal salts such as iron and copper. The pH of the alloyed zinc stain may be, for example, 11-14. The coating can be carried out, for example, at temperatures between 20 ° C and 98 ° C. After coating, the coated steel substrate can be dried, for example by means of hot-air drying.

Die Zeitdauer zum Aufbringen der Zink-Kupfer-Beschichtung auf das Aluminium-beschichtete Stahlsubstrat kann beispielsweise mindestens 0,5 Minuten und/oder bis zu 5,0 Minuten betragen. Dabei gilt, je länger die Beschichtungsdauer, desto dicker wird die nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung. Vorzugsweise wird die Zeitdauer so gewählt, dass die zweite Beschichtung eine Dicke von 10 Nanometern (10 nm) bis zwei Mikrometern (2 µm), insbesondere von 200 Nanometern (200 nm) bis zu 800 Nanometern (800 nm) aufweist.The period of time for applying the zinc-copper coating to the aluminum-coated steel substrate may be, for example, at least 0.5 minutes and / or up to 5.0 minutes. The longer the coating time, the thicker the nano-crystalline zinc-copper coating becomes. Preferably, the time period is selected so that the second coating has a thickness of 10 nanometers (10 nm) to two micrometers (2 μm), in particular from 200 nanometers (200 nm) up to 800 nanometers (800 nm).

Für eine gute Haftung ist es günstig, wenn die Oberfläche der Aluminium-Beschichtung vordem Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung aktiviert wird, was beispielsweise mittels Beizen erfolgen kann. Hierfür kann eine Aluminium enthaltende Beize verwendet werden. Durch das Aktivieren wird die außenliegende Oxidschicht der Aluminium-Beschichtung entfernt, so dass günstige Voraussetzungen zum Verbinden der Aluminium-Beschichtung mit der aufzubringenden Zink-Kupfer-Beschichtung erreicht werden. Vor dem Aktivieren kann das Stahlsubstrat optional entfettet werden, was vom Oberflächenzustand abhängig ist. Nach dem Aktivieren kann das Stahlsubstrat optional dekapiert werden.For good adhesion, it is advantageous if the surface of the aluminum coating is activated before applying the nano-crystalline zinc-copper coating, which can be done, for example, by means of pickling. For this purpose, an aluminum-containing stain can be used. By activating the outer oxide layer of the aluminum coating is removed, so that favorable conditions for connecting the aluminum coating to be applied with the zinc-copper coating can be achieved. Before activation, the steel substrate can optionally be degreased, depending on the surface condition. After activation, the steel substrate can optionally be dekapiert.

Im Rahmen der Herstellung des gehärteten Formteils wird das Substrat als Bandmaterial auf eine gewünschte Dicke über der Länge gewalzt. Das Walzen kann als konventionelles oder als Flexibles Walzen durchgeführt werden. Beim konventionellen Walzen wird eine einheitliche Dicke über der Länge erzeugt, während beim Flexiblen Walzen eine variable Dicke über einer Länge des Bandmaterials erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für flexibel gewalztes Bandmaterial, da auch die dünner gewalzten Substratabschnitte nach dem Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung eine erhöhte Resistenz gegen das Eindiffundieren von Wasserstoff haben, so dass gerade auch in diesen dünneren Bereichen eine verringerte Mikrorissneigung gegeben ist. Das Stahlsubstrat kann vor oder nach dem Walzen mit der Aluminium-Beschichtung versehen werden.As part of the production of the cured molded part, the substrate is rolled as a strip material to a desired thickness over the length. The rolling can be carried out as conventional or as flexible rolling. In conventional rolling, a uniform thickness over the length is produced, while in flexible rolling a variable thickness is produced over a length of the strip material. The The inventive method is particularly well suited for flexibly rolled strip material, since even the thinner rolled substrate sections after application of the nano-crystalline zinc-copper coating have an increased resistance to the diffusion of hydrogen, so that even in these thinner areas, a reduced microcracking tendency given is. The steel substrate may be provided with the aluminum coating before or after rolling.

An geeigneter Stelle des Verfahrens werden aus dem gewalzten Bandmaterial Platinen erzeugt. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Vereinzeln bezeichnet. Das Vereinzeln kann durch mechanisches Schneiden oder mittels Laserschneiden durchgeführt werden. Die Bezeichnung Platinen soll im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sowohl rechteckige Blechtafeln, die aus dem Bandmaterial herausgetrennt worden sind, als auch Formschnitte mit umfasst sein. Formschnitte sind aus dem Bandmaterial herausgearbeitete Blechelemente, deren Außenkontur an die Form des Endprodukts bereits angepasst ist. Das Erzeugen von Platinen aus dem Stahlsubstrat kann vor oder nach dem Beschichten des Stahlsubstrats mit der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung erfolgen. Im ersten Fall, Vereinzeln vor dem Beschichten, wird das Beschichten stückweise durchgeführt. Im zweiten Fall, Vereinzeln nach dem Beschichten, kann das Beschichten im Durchlaufverfahren des Bandmaterials durch ein Tauchbad durchgeführt werden, was besonders effizient ist.At a suitable point of the process, blanks are produced from the rolled strip material. This process step is also referred to as singulation. The separation can be carried out by mechanical cutting or by laser cutting. The term boards in the context of the present disclosure, both rectangular metal sheets that have been cut out of the strip material, as well as form cuts to be included. Molding cuts are sheet metal elements that have been worked out of the strip material and whose outer contours have already been adapted to the shape of the final product. The production of boards from the steel substrate can be carried out before or after the coating of the steel substrate with the nano-crystalline zinc-copper coating. In the first case, singulation before coating, the coating is carried out piece by piece. In the second case, singulation after coating, the coating can be carried out in a continuous process of the strip material by a dipping bath, which is particularly efficient.

Die Blechplatinen werden nach dem Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung warmumgeformt, wobei gegebenenfalls weitere Verfahrensschritte zwischengeschaltet sein können. Im Rahmen des Warmumformens wird die Platine zumindest in einem Teilbereich auf Austenitisierungstemperatur erwärmt; anschließend in ein Warmformwerkzeug eingelegt und im Warmformwerkzeug umgeformt und abgekühlt, so dass ein gehärtetes Formteil entsteht. Das Erwärmen wird in einer geeigneten Wärmeeinrichtung, beispielsweise in einem Ofen vorgenommen. Durch das schnelle Abkühlen des Formteils im Umformwerkzeug wird eine gehärtete, zumindest teilweise martensitische Gefügestruktur erzeugt. Dieser Prozess des Warmumformens und schnellen Abkühlen in einem Umformwerkzeug wird auch als Presshärten bezeichnet.The sheet metal blanks are hot-worked after application of the nano-crystalline zinc-copper coating, it being possible for further process steps to be interposed. As part of the hot forming, the board is heated to Austenitisierungstemperatur at least in a partial area; then placed in a thermoforming mold and formed in the thermoforming mold and cooled, so that a hardened molded part is formed. The heating is carried out in a suitable heating device, for example in an oven. The rapid cooling of the molding in the forming tool produces a hardened, at least partially martensitic microstructure. This process of hot forming and rapid cooling in a forming tool is also referred to as press hardening.

Aufgrund der Zink-Kupfer-Beschichtung ist eine deutliche Reduzierung der Wasserstoffaufnahme in der Wärmeeinrichtung gegeben, da die Zink-Kupfer-Beschichtung eine Reaktion des Wasserdampfs mit der Aluminium-Beschichtung verhindert beziehungsweise zumindest hemmt. Außerdem ist der Abrieb im Werkzeug aufgrund der Zink-Kupfer-Beschichtung reduziert, was den Verschleiß senkt und die Lebensdauer verlängert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Verweilzeit in der Wärmeeinrichtung aufgrund der dunklen Oberfläche und damit des höheren Absorptionsgrades der Zink-Kupfer-Beschichtung reduziert werden kann. Schließlich ist als weiterer Vorteil zu nennen, dass die Zink-Kupfer-Beschichtung in einem späteren Schritt phosphatiert werden kann, beziehungsweise, dass eine Phosphatschicht an der Zink-Kupfer-Beschichtung anhaftet, was bei einer Aluminium-beschichteten Oberfläche nicht gegeben ist.Due to the zinc-copper coating, there is a significant reduction in the uptake of hydrogen in the heating device, since the zinc-copper coating prevents or at least inhibits a reaction of the water vapor with the aluminum coating. In addition, the abrasion in the tool due to the zinc-copper coating is reduced, which reduces wear and extends the life. Another advantage is that the residence time in the heating device can be reduced due to the dark surface and thus the higher degree of absorption of the zinc-copper coating. Finally, another advantage is that the zinc-copper coating can be phosphated in a later step, or that a phosphate layer adheres to the zinc-copper coating, which is not the case with an aluminum-coated surface.

Das Warmumformen kann nach einer ersten Möglichkeit als indirekter Prozess durchgeführt werden, der die Teilschritte Kaltvorformen, anschließendes Erwärmen des kalt vorgeformten Bauteils auf Austenitisierungstemperatur sowie anschließendes Warmumformen zur Erzeugung der Endkontur des Erzeugnisses umfasst. Das Warmumformen kann nach einer zweiten Möglichkeit auch als direkter Prozess durchgeführt werden, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil direkt auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend zur gewünschten Endkontur in einem Schritt warmumgeformt wird. Ein vorhergehendes (kaltes) Vorformen findet hier nicht statt.The hot working may be carried out as an indirect process according to a first possibility, comprising the substeps of cold preforming, then heating the cold preformed component to austenitizing temperature, followed by hot working to produce the final contour of the product. The hot forming can also be carried out as a direct process according to a second possibility, which is characterized in that the component is heated directly to Austenitisierungstemperatur and then hot-formed to the desired final contour in one step. A previous (cold) preforming does not take place here.

Da die Wasserstoffbeladung beim Warmumformungsprozess gemäß dem vorliegenden Verfahren besonders gering ist, kann auf eine Taupunktregelung im Ofen verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil der Zink-Kupfer-Beschichtung ist, dass im Anschluss an das Presshärten unter Umständen auf eine Oberflächenreinigung verzichtet werden kann und, dass die Oberfläche der Zink-Kupfer-Beschichtung eine Phosphatierung ermöglicht, was wiederum zu einem besseren Korrosionsschutz führt.Since the hydrogen loading in the hot forming process according to the present method is particularly low, can be dispensed with a dew point control in the oven. Another advantage of the zinc-copper coating is that after press hardening surface cleaning may be dispensed with and that the surface of the zinc-copper coating allows phosphating, which in turn leads to better corrosion protection.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt

Figur 1
ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch in einer ersten Ausführungsform;
Figur 2
ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch in einer zweiten Ausführungsform;
Figur 3A
ein erfindungsgemäßes beschichtetes Stahlsubstrat schematisch im Querschnitt;
Figur 3B
eine vergrößerte Schnittdarstellung (Rasterelektronenmikroskop) eines erfindungsgemäßen beschichteten Stahlsubstrats;
Figur 4A
eine vergrößerte Draufsicht auf die Oberfläche eines Aluminium-beschichteten Stahlsubstrats nach dem Walzen;
Figur 4B
eine vergrößerte Draufsicht auf die Oberfläche eines Aluminium-beschichteten Stahlsubstrats nach dem Aufbringen einer nanokristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung;
Figur 4C
eine vergrößerte Draufsicht auf die Oberfläche eines erfindungsgemäß beschichteten Stahlsubstrats nach dem Warmumformen;
Figur 5A
eine grafische Darstellung des Schichtaufbaus (GDOES-Analyse) eines erfindungsgemäß beschichteten Stahlsubstrats vor dem Warmumformen;
Figur 5B
eine grafische Darstellung des Schichtaufbaus (GDOES-Analyse) eines erfindungsgemäß beschichteten Stahlsubstrats nach dem Warmumformen;
Figur 6A
eine vergrößerte Draufsicht auf die Oberfläche eines Aluminium-beschichteten Stahlsubstrats (ohne Zink-Kupfer-Beschichtung) nach dem Warmumformen;
Figur 6B
eine vergrößerte Draufsicht auf die Oberfläche eines erfindungsgemäßen beschichteten Stahlsubstrats nach dem Warmumformen;
Figur 7
eine grafische Gegenüberstellung des in das beschichtete Blech eindiffundierten Wasserstoffs bei Verwendung eines Aluminium-beschichteten Stahlsubstrats (ohne Zink-Kupfer-Beschichtung) verglichen mit der Verwendung eines erfindungsgemäßen beschichteten Stahlsubstrats;
Figur 8
eine grafische Darstellung der Verweilzeit bei Verwendung eines Aluminium-beschichteten Stahlsubstrats (ohne Zink-Kupfer-Beschichtung) verglichen mit der Verwendung eines erfindungsgemäßen beschichteten Stahlsubstrats, jeweils nach einem Walzen.
Preferred embodiments will be explained below with reference to the drawing figures. Herein shows
FIG. 1
a method according to the invention schematically in a first embodiment;
FIG. 2
a method according to the invention schematically in a second embodiment;
FIG. 3A
a coated steel substrate according to the invention schematically in cross section;
FIG. 3B
an enlarged sectional view (scanning electron microscope) of a coated steel substrate according to the invention;
FIG. 4A
an enlarged plan view of the surface of an aluminum-coated steel substrate after rolling;
FIG. 4B
an enlarged plan view of the surface of an aluminum-coated steel substrate after the application of a nanocrystalline zinc-copper coating;
FIG. 4C
an enlarged plan view of the surface of a steel substrate coated according to the invention after hot working;
FIG. 5A
a graphical representation of the layer structure (GDOES analysis) of a steel substrate according to the invention coated before hot working;
FIG. 5B
a graphical representation of the layer structure (GDOES analysis) of a steel substrate coated according to the invention after hot working;
FIG. 6A
an enlarged plan view of the surface of an aluminum-coated steel substrate (without zinc-copper coating) after hot working;
FIG. 6B
an enlarged plan view of the surface of a coated steel substrate according to the invention after hot working;
FIG. 7
a graphical comparison of the diffused into the coated sheet hydrogen using an aluminum-coated steel substrate (without zinc-copper coating) compared with the use of a coated steel substrate according to the invention;
FIG. 8
a graph of residence time using an aluminum-coated steel substrate (without zinc-copper coating) compared with the use of a coated steel substrate according to the invention, each after rolling.

Die Figuren 1 bis 8 werden nachstehend gemeinsam beschrieben.The FIGS. 1 to 8 will be described together below.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Erzeugnisses aus einem beschichteten Stahlsubstrat 2 nach einer ersten Verfahrensführung. Als Stahlsubstrat ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein härtbares Stahlflachprodukt mit umfasst, das aus einem Stahlwerkstoff erzeugt ist, der eine Streckgrenze von 150 bis 1100 MPa und eine Zugfestigkeit von 300 bis 1200 MPa aufweisen kann. Der Stahlwerkstoff kann einen Anteil an Kohlenstoff von mindestens 0,1 Masseprozent, insbesondre mindestens 0,2 Masseprozent, bis zu 0,35 Masseprozent aufweisen. Beispielsweise kann 22MnB5 als Stahlsubstrat 2 verwendet, wobei auch andere härtbare, insbesondere manganhaltige Stahlwerkstoffe verwendbar sind, wie beispielsweise 17MnB5, 26MnB5 oder 34MnB5. Das Stahlflachprodukt kann als Bandmaterial oder hieraus erzeugten Platinen vorliegen. FIG. 1 shows a process according to the invention for producing a cured product from a coated steel substrate 2 after a first process. As a steel substrate in the present disclosure, a hardenable flat steel product is included, which is produced from a steel material, which may have a yield strength of 150 to 1100 MPa and a tensile strength of 300 to 1200 MPa. The steel material may have a carbon content of at least 0.1% by mass, especially at least 0.2% by mass, up to 0.35% by mass. For example, 22MnB5 may be used as steel substrate 2, although other hardenable, especially manganese-containing, steel materials may be used, such as 17MnB5, 26MnB5 or 34MnB5. The flat steel product can be present as strip material or boards produced therefrom.

Im Verfahrensschritt S1 wird das Stahlsubstrat 2, das im Ausgangszustand auf einem Coil 3 aufgewickelt ist und auch als Stahlband oder Bandmaterial bezeichnet werden kann, mit einer ersten Beschichtung 4 versehen. Die erste Beschichtung enthält in auf das Stahlsubstrat aufgebrachtem Zustand zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium. In der vorliegenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Beschichtung ferner bis zu 15 Gewichtsprozent Silizium enthält. Es versteht sich, dass andere Legierungselemente zulasten des Silizium-Anteils mit enthalten sein können, beispielsweise Eisen und/oder andere mit insgesamt bis zu 5 Gewichtsprozent. Die Aluminium-Beschichtung wird im Schmelztauchverfahren in einem Schmelzbad 5 einer Beschichtungsvorrichtung 6 auf das Stahlsubstrat 2 aufgetragen, wobei andere übliche Beschichtungsverfahren wie elektrolytische Beschichtung ebenso denkbar sind.In method step S1, the steel substrate 2, which is wound on a coil 3 in the initial state and can also be referred to as steel strip or strip material, is provided with a first coating 4. The first coating, when applied to the steel substrate, contains at least 85 weight percent aluminum. In the present embodiment, it is further contemplated that the first coating further comprises up to 15 weight percent silicon. It is understood that other alloying elements may be included at the expense of the silicon content, for example iron and / or others with a total of up to 5 weight percent. The aluminum coating is applied to the steel substrate 2 in the hot dip process in a molten bath 5 of a coating device 6, wherein other conventional coating methods such as electrolytic coating are also conceivable.

Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 4 wird das beschichtete Stahlsubstrat 2 walzend bearbeitet. In Figur 4A ist die Oberfläche des Aluminium-beschichteten Stahlsubstrats 2 nach dem Walzen in stark vergrößerter Darstellung mittels Rasterelektronenmikroskop gezeigt. Es sind die Walzspuren beziehungsweise die Walzrichtung erkennbar, die als Pfeil R eingezeichnet ist.After the application of the first coating 4, the coated steel substrate 2 is rolled. In FIG. 4A For example, the surface of the aluminum-coated steel substrate 2 after rolling is shown in a greatly enlarged view by a scanning electron microscope. The rolling tracks or the rolling direction can be seen, which is shown as arrow R.

Das beschichtete Stahlsubstrat 2 wird vorliegend mittels flexiblem Walzen gewalzt, ohne hierauf eingeschränkt zu sein. Hierfür wird das Stahlband 2, das vor dem flexiblen Walzen eine weitestgehend konstante Blechdicke über der Länge aufweist, mittels Walzen 7, 8 derart gewalzt, das es längs der Walzrichtung eine variable Blechdicke erhält. Während des Walzens wird der Prozess überwacht und gesteuert, wobei die von einer Blechdickenmessung 9 ermittelten Daten als Eingangssignal zur Steuerung der Walzen 7, 8 verwendet werden. Nach dem flexiblen Walzen hat das Bandmaterial 2 in Walzrichtung unterschiedliche Dicken. Das Bandmaterial 2 wird nach dem flexiblen Walzen wieder zum Coil 3 aufgewickelt, so dass es dem nächsten Verfahrensschritt zugeführt werden kann.The coated steel substrate 2 is rolled in the present case by means of flexible rolling, without being limited thereto. For this purpose, the steel strip 2, which has a largely constant sheet thickness over the length before the flexible rolling, rolled by means of rollers 7, 8 such that it receives along the rolling direction a variable sheet thickness. During rolling, the process is monitored and controlled, using the data determined by a sheet thickness measurement 9 as an input signal for controlling the rolls 7, 8. After flexible rolling, the strip material 2 has different thicknesses in the rolling direction. The strip material 2 is rewound to the coil 3 after the flexible rolling, so that it can be fed to the next process step.

Nach einer abgewandelten Ausführungsform kann das Stahlband 2 auch mittels herkömmlichem Walzverfahren, das heißt mit einheitlicher Blechdicke über der Länge gewalzt werden. Nach einer weiteren Abwandlung, welche für beide Verfahrensführungen Flexibles Walzen und herkömmliches Walzen gilt, kann das Aufbringen der ersten Beschichtung (S1) auch nach dem Walzen (S2) erfolgen, das heißt durch Umkehrung der Reihenfolge der Schritte S1 und S2.According to a modified embodiment, the steel strip 2 can also be rolled over the length by means of a conventional rolling method, that is to say with a uniform sheet thickness. According to a further modification, which applies to both process guides flexible rolling and conventional rolling, the application of the first coating (S1) can also take place after rolling (S2), that is to say by reversing the sequence of steps S1 and S2.

Nach dem Walzprozess kann das Stahlband 2 in einem nachfolgenden Verfahrensschritt geglättet werden, was in einer Bandrichtvorrichtung erfolgt. Der Verfahrensschritt des Glättens ist optional und kann auch weggelassen werden.After the rolling process, the steel strip 2 can be smoothed in a subsequent process step, which takes place in a belt straightening device. The smoothing step is optional and may be omitted.

Nach dem Walzen (S1) beziehungsweise Glätten (falls vorgesehen) wird das Aluminium-beschichtete Stahlsubstrat 2 im Verfahrensschritt S3 vereinzelt. Dabei werden aus dem Aluminium-beschichteten Stahlband 2 einzelne Blechplatinen herausgearbeitet, beispielsweise mittels einer Stanz- und/oder Schneidvorrichtung 10. Je nach Form der zu fertigenden Blechplatinen können diese aus dem Bandmaterial 2 als Formschnitt ausgestanzt werden, wobei ein nicht weiterverwendeter Rand als Schrott wegfällt, oder das Bandmaterial 2 kann einfach in Teilstücke abgelängt werden.After rolling (S1) or smoothing (if provided), the aluminum-coated steel substrate 2 is separated in process step S3. Depending on the shape of the sheet metal blanks to be produced, these can be punched out of the strip material 2 as a shaped cut, wherein a not further used edge is omitted as scrap , or the strip material 2 can be easily cut into sections.

Nach dem Vereinzeln wird das Aluminium-beschichtete Stahlsubstrat 2, das nun in Form von Platinen vorliegt, mit einer zweiten Beschichtung 11 beschichtet. Die zweite Beschichtung wird als nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung 11 auf das Stahlsubstrat 2 aufgebracht, wobei die zweite Beschichtung in aufgebrachtem Zustand mindestens 60 Gewichtsprozent Zink und mindestens 5 Gewichtsprozent Kupfer sowie optional weitere Legierungsbestandteile wie beispielsweise bis zu 5 Gewichtsprozent Eisen und/oder bis zu 10 Gewichtsprozent Nickel. Der Aufbau des mit Aluminium-Beschichtung 4 und mit Zink-Kupfer-Beschichtung 11 versehenen Stahlsubstrats 2 ist in Figur 3A schematisch dargestellt und in Figur 3B als rasterelektronenmikroskopische, vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III aus Figur 3A dargestellt. Es ist erkennbar, dass die nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung 11 wesentlich dünner ist als die Aluminium-Beschichtung 4. Die Aluminium-Beschichtung 4 kann beispielsweise eine Dicke D4 von zwischen 5 und 50 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 10 und 35 Mikrometer haben. Die Dicke D11 des Schichtaufbaus der Zink-Kupfer-Beschichtung 11 hängt von der Art und Dauer des Beschichtungsprozesses ab und kann beispielsweise zwischen 10 Nanometer und 2 Mikrometer liegen. Eine stark vergrößerte Draufsicht auf die Oberfläche des mit nano-kristalliner Zink-Kupfer-Beschichtung 11 versehenen Stahlsubstrats ist in Figur 4B gezeigt. Es ist die feinkörnige, kristalline Struktur der Zink-Kupfer-Beschichtung 11 erkennbar sowie die durch das Walzen erzeugten Walzspuren, welche als Walzrichtung R eingezeichnet sind. Dabei können die aufgewachsenen Kristalle im Mittel eine längste Erstreckung von beispielsweise weniger als 400 nm haben. Die Form der Kristalle entsteht gemäß dem Wachstum beliebig und kann globular bis stengelförmig sein.After separation, the aluminum-coated steel substrate 2, which is now in the form of blanks, is coated with a second coating 11. The second coating is applied as a nano-crystalline zinc-copper coating 11 on the steel substrate 2, wherein the second coating in the applied state, at least 60 weight percent zinc and at least 5 weight percent copper and optionally other alloying ingredients such as up to 5 weight percent iron and / or up to 10 weight percent nickel. The structure of the steel substrate 2 provided with aluminum coating 4 and zinc-copper coating 11 is shown in FIG FIG. 3A shown schematically and in FIG. 3B as a scanning electron microscope, enlarged view of section III off FIG. 3A shown. It can be seen that the nano-crystalline zinc-copper coating 11 is substantially thinner than the aluminum coating 4. The aluminum coating 4 may for example have a thickness D4 of between 5 and 50 micrometers, preferably between 10 and 35 micrometers. The thickness D11 of the layer structure of the zinc-copper coating 11 depends on the type and duration of the coating process and may for example be between 10 nanometers and 2 micrometers. A greatly enlarged plan view of the surface of the nano-crystalline zinc-copper coating 11 provided steel substrate is in FIG. 4B shown. It is the fine-grained crystalline structure of the zinc-copper coating 11 can be seen and the rolling tracks generated by rolling, which are shown as the rolling direction R. In this case, the grown crystals may on average have a longest extent of, for example, less than 400 nm. The shape of the crystals is arbitrary according to growth and may be globular to stem-shaped.

Vorliegend wird die Zink-Kupfer-Beschichtung 11 mittels stromloser und/oder elektrolytischer Abscheidung auf das Aluminium-beschichtete Stahlsubstrat 2 aufgebracht. Hierfür werden die Platinen 2 bei der vorliegenden Verfahrensführung einzeln oder in Gruppen in ein mit elektrolytischer Flüssigkeit 12 gefülltes Tauchbecken 13 einer elektrolytischen Beschichtungsvorrichtung 14 eingetaucht. Vorzugsweise erfolgt das Beschichten stromlos bei Temperaturen von insbesondere zwischen 20°C und 98°C. Als elektrolytische Flüssigkeit kann eine legierte Zinkatbeize verwendet werden, die insbesondere Natriumhydroxid, Zinkoxid, Komplexbildner und Metallsalze wie Eisen und Kupfer enthalten kann. Der pH-Wert der legierten Zinkatbeize kann beispielsweise 11 - 14 betragen. In einer beispielhaften Ausführung kann die legierte Zinkatbeize zumindest einen oder mehrere der nachstehend genannten Bestandteile enthalten: Natriumhydroxid 10 bis 345 g/l, Zinkcarbonat bis 87 g/l, Eisen(II)-chlorid bis 23 g/l, Zinkoxid bis 63 g/l, Kaliumnatriumtartrat von 45 bis 100 g/l, Natriumglukonat bis 7 g/l, Salicylsäure bis 4 g/l, Zinksulfat bis 24 g/l, Nickelsulfat bis 20 g/l, Natriumcyanid bis 25 g/l und/oder Natriumnitrat bis 1 g/l.In the present case, the zinc-copper coating 11 is applied to the aluminum-coated steel substrate 2 by means of electroless and / or electrolytic deposition. For this purpose, the boards 2 are immersed in the present process guide individually or in groups in a filled with electrolytic liquid 12 immersion tank 13 of an electrolytic coating apparatus 14. The coating is preferably carried out without current at temperatures of, in particular, between 20 ° C. and 98 ° C. As the electrolytic liquid, an alloyed zinc stain may be used, which may particularly contain sodium hydroxide, zinc oxide, complexing agents and metal salts such as iron and copper. For example, the pH of the alloyed zincate stains may be 11-14. In an exemplary embodiment, the alloyed zinc stain may contain at least one or more of the following ingredients: sodium hydroxide 10 to 345 g / l, zinc carbonate to 87 g / l, ferrous chloride to 23 g / l, zinc oxide to 63 g / l, potassium sodium tartrate of 45 to 100 g / l, sodium gluconate to 7 g / l, salicylic acid to 4 g / l, zinc sulfate to 24 g / l, nickel sulfate to 20 g / l, sodium cyanide to 25 g / l and / or sodium nitrate to 1 g / l.

Nach Eintauchen der Aluminium-beschichteten Platine 2 in die Zinkatbeize 12 lagert sich eine Zinkatschicht an der Oberfläche der Platine 2 ab. Die Abscheidung der Zinkatschicht begründet sich auf einer Redox-Reaktion mit den folgenden Teilreaktionen. Die Zinkabscheidung erfolgt in drei Schritten mithilfe der Bildung von Aluminiumhydroxid unter Oxidation von Aluminium (Reaktion 1).

         (1)     Al + 3 OH- => Al(OH)3 + 3 e-

After immersing the aluminum-coated board 2 in the Zinkatbeize 12, a Zinkatschicht deposited on the surface of the board 2 from. The deposition of the zincate layer is based on a redox reaction with the following partial reactions. The zinc deposition takes place in three steps by the formation of aluminum hydroxide with oxidation of aluminum (reaction 1).

(1) Al + 3 OH- => Al (OH) 3 + 3 e-

Hier bindet sich das elementare Aluminium unter Abgabe von drei Elektronen an drei Hydroxidgruppen. Ebenso bildet sich das Aluminat durch Reaktion der Natronlauge mit Aluminiumhydroxid (Reaktion 2).

         (2)     Al(OH)3 + NaOH => NaAl(OH)4

Here, the elemental aluminum binds with the release of three electrons to three hydroxide groups. Likewise, the aluminate is formed by reaction of the sodium hydroxide solution with aluminum hydroxide (reaction 2).

(2) Al (OH) 3 + NaOH => NaAl (OH) 4

Gleichzeitig erfolgt die Reduktion von in Zinkat gebundenem Zink zu elementarem Zink (Reaktion 3). Das Zinkat dissoziiert zu zweiwertigem Zink und 4 Hydroxidgruppen. Die Anbindung von 2 Elektronen an das zweiwertige Zink schließt die Bildung von elementarem Zink ab. Die Reduktion von Zink und dessen Abscheidung auf der Aluminium-Silizium-Oberfläche stellt sich wie folgt dar:

         (3)     Zn(OH)4 2- => Zn2+ + 4 OH- Zn2+ + 2 e- => Zn.

At the same time, the reduction of zinc bound in zincate to elemental zinc occurs (reaction 3). The zincate dissociates to divalent zinc and 4 hydroxide groups. The Attachment of 2 electrons to the divalent zinc completes the formation of elemental zinc. The reduction of zinc and its deposition on the aluminum-silicon surface is as follows:

(3) Zn (OH) 4 2- => Zn 2+ + 4 OH - Zn 2+ + 2 e - => Zn.

Die gesamte Reaktion (4) der Zinkabscheidung ist im folgenden Schritt zusammengefasst, wobei die Schichtdicke zeitabhängig ist.

         (4)     3 Na2Zn(OH)4 + 2 Al => 2 NaAl(OH)4 + 3 Zn + 4 NaOH

The entire reaction (4) of the zinc deposition is summarized in the following step, wherein the layer thickness is time-dependent.

(4) 3 Na 2 Zn (OH) 4 + 2 Al => 2 NaAl (OH) 4 + 3 Zn + 4 NaOH

Es werden Kupfer und Zink zusammen abgeschieden. Die dünne, leitfähige und außenstromlos abgeschiedene Zinkatschicht enthält überwiegend Zink, ferner Kupfer, kann aber auch andere Metalle wie Nickel oder Eisen enthalten. Beeinflusst wird der Zinkatprozess durch die Temperatur des Bads, der Prozessdauer, dem Legierungstyp des Aluminiums (Al/AlSi) und durch zugesetzte Ionen. Die Gestalt der Zinkkristalle ändert sich mit der Lösungskonzentration der Zinkatbeize.Copper and zinc are deposited together. The thin, conductive and externally stromlosen deposited zincate layer contains predominantly zinc, and copper, but may also contain other metals such as nickel or iron. The zincate process is influenced by the temperature of the bath, the duration of the process, the alloy type of aluminum (Al / AlSi) and by added ions. The shape of the zinc crystals changes with the solution concentration of the zincate stain.

Die Schichtdicke der Ablagerung 11 kann über die Verweilzeit der Platine 2 in der Zinkatbeize 12 variiert werden. Vorzugsweise wird die Zeitdauer so gewählt, dass die zweite Beschichtung 4 eine Dicke von 10 Nanometern (10 nm) bis zwei Mikrometern (2 µm), insbesondere von 200 Nanometern (200 nm) bis zu 800 Nanometern (800 nm) aufweist. Beispielsweise kann die Zeitdauer zum Aufbringen der Zink-Kupfer-Beschichtung 11 auf das Aluminium-beschichtete Stahlsubstrat 2 zwischen 0,5 Minuten und bis zu 5,0 Minuten liegen. Dabei gilt insbesondere, dass mit zunehmender Beschichtungsdauer mehr und mehr Kupfer und Zink abgeschieden werden, so dass entsprechend auch die Beschichtungskristalle aufwachsen beziehungsweise mehr und mehr Beschichtungskristalle entstehen, so dass die Dicke der nanokristallinen Beschichtung 4 mit der Zeit insgesamt zunimmt. Es versteht sich, dass zum Aufbringen der nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung 11 auf das Aluminium-beschichtete Stahlsubstrat auch andere Beschichtungsverfahren möglich sind, wie beispielsweise elektrochemische (galvanischer) Abscheidung, PVD-Verfahren, CVD-Verfahren oder Feuerverzinkungsverfahren.The layer thickness of the deposit 11 can be varied over the residence time of the board 2 in the Zinkatbeize 12. Preferably, the time period is selected such that the second coating 4 has a thickness of 10 nanometers (10 nm) to two micrometers (2 μm), in particular from 200 nanometers (200 nm) to 800 nanometers (800 nm). For example, the time to apply the zinc-copper coating 11 to the aluminum-coated steel substrate 2 may be between 0.5 minutes and up to 5.0 minutes. In this case, in particular, with increasing coating time, more and more copper and zinc are deposited, so that correspondingly the coating crystals grow up or more and more coating crystals are formed, so that the thickness of the nanocrystalline coating 4 increases overall over time. It is understood that other coating methods are possible for applying the nano-crystalline zinc-copper coating 11 on the aluminum-coated steel substrate, such as electrochemical (galvanic) deposition, PVD method, CVD method or Hot dip galvanizing.

Vor dem Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung 11 kann die Oberfläche der Aluminium-Beschichtung 4 in einem Zwischenschritt optional aktiviert werden. Das Aktivieren kann beispielsweise mittels einer Aluminium enthaltenden Beize erfolgen. Durch das Aktivieren wird die außenliegende Oxidschicht der Aluminium-Beschichtung 4 entfernt, so dass günstige Voraussetzungen zum Verbinden der Aluminium-Beschichtung 4 mit der aufzubringenden Zink-Kupfer-Beschichtung 11 erreicht werden.Before applying the nano-crystalline zinc-copper coating 11, the surface of the aluminum coating 4 may optionally be activated in an intermediate step. The activation can be carried out, for example, by means of a pickling containing aluminum. By activating the outer oxide layer of the aluminum coating 4 is removed, so that favorable conditions for connecting the aluminum coating 4 are achieved with the zinc-copper coating 11 to be applied.

Die Aluminiumoxidschicht lässt sich beispielsweise nasschemisch mithilfe eines Zinkatprozesses entfernen. Hierzu kann eine auf das Substrat 2 abgestimmte Beizlösung verwendet werden. Bei Ansetzen der hauptsächlich aus wässriger, NaOH-alkalischer Zinkoxidlösung bestehenden Beize bildet sich Natriumzinkat (Reaktion 1). Die Zinkatbeize ist demnach eine Natriumzinkatlösung mit überschüssigem NaOH und gewöhnlich stark basischem pH Wert.

         (1)     ZnO + 2 NaOH + H2O => Na2Zn(OH)4.

For example, the aluminum oxide layer can be removed wet-chemically using a zincate process. For this purpose, a pickling solution adapted to the substrate 2 can be used. When applying the mainly consisting of aqueous, NaOH-alkaline zinc oxide solution pickling forms Natriumzinkat (reaction 1). The zincate stain is therefore a sodium zincate solution with excess NaOH and usually strong basic pH.

(1) ZnO + 2NaOH + H2O => Na2Zn (OH) 4.

Bei der Reaktion einer Beizlösung mit einer technischen Aluminiumoberfläche löst sich die vorhandene Oxidschicht unter Bildung von Natriumaluminat (Reaktion 2).

         (2)     Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O => 2NaAl(OH)4.

In the reaction of a pickling solution with a technical aluminum surface, the existing oxide layer dissolves to form sodium aluminate (reaction 2).

(2) Al 2 O 3 + 2 NaOH + 3 H 2 O => 2NaAl (OH) 4.

Durch das vorgeschaltete Aktivieren werden besonders gute Voraussetzungen für eine hohe Haftfestigkeit der abgeschiedenen Zink-Kupfer-Beschichtung 11 auf der Aluminium-Beschichtung 4 erreicht, so dass eine ungewünschte Reoxidation des Aluminiums verhindert wird. Anstelle des hier beispielhaft beschriebenen Beizverfahrens zum Aktivieren der Oberfläche sind auch chemische Prozesse oder mechanische Prozesse (Schleifen) möglich.The upstream activation particularly good conditions for a high adhesion of the deposited zinc-copper coating 11 is achieved on the aluminum coating 4, so that an unwanted reoxidation of the aluminum is prevented. Instead of the pickling process described here by way of example for activating the surface, chemical processes or mechanical processes (grinding) are also possible.

Nach dem Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung 11 im Schritt S4 werden die Platinen 2 im Verfahrensschritt S5 warmumgeformt. Beim Warmumformen wird das Halbzeug auf eine Temperatur erwärmt, die in der Regel oberhalb der AC1 beziehungsweise AC3-Temperatur des Werkstoffs liegt, beispielsweise zwischen 750°C bis 1000°C. Das Erwärmen kann gezielt durch geeignete Verfahren durchgeführt werden, wie beispielsweise mittels induktiver Erwärmung, konduktiver Erwärmung, Erwärmung im Rollenherdofen, Kontakterwärmung durch heiße Platten, Infrarot, oder andere bekannte Verfahren. Nach dem Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur wird das Halbzeug anschließend in ein Warmformwerkzeug 15 eingelegt und hierin umgeformt und derart schnell abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt, dass zumindest teilweise ein martensitisches Härtegefüge im so hergestellten Formteil entsteht.After applying the nano-crystalline zinc-copper coating 11 in step S4, the boards 2 are hot-worked in step S5. During hot forming the semi-finished product is heated to a temperature which is usually above the AC1 or AC3 temperature of the material, for example between 750 ° C to 1000 ° C. The heating can be carried out selectively by suitable methods, such as, for example, by means of inductive heating, conductive heating, heating in the roller hearth furnace, contact heating by hot plates, infrared, or other known methods. After heating to Austenitisierungstemperatur the semi-finished product is then placed in a thermoforming mold 15 and formed therein and cooled or quenched so fast that at least partially a martensitic hardness structure formed in the molded part thus produced.

Das Warmumformen (S5) kann nach einer ersten Möglichkeit als direkter Prozess durchgeführt werden. Dabei wird die Platine 2 direkt auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend zur gewünschten Endkontur in einem Schritt warmumgeformt wird. Ein vorhergehendes (kaltes) Vorformen findet hier nicht statt. Das Warmumformen kann nach einer zweiten Möglichkeit auch als indirekter Prozess durchgeführt werden, der die Teilschritte Kaltvorformen, anschließendes Erwärmen des kalt vorgeformten Bauteils auf Austenitisierungstemperatur sowie anschließendes Warmumformen zur Erzeugung der Endkontur des Formteils umfasst.The hot forming (S5) can be carried out as a direct process after a first possibility. The board 2 is heated directly to Austenitisierungstemperatur and then hot-formed into the desired final contour in one step. A previous (cold) preforming does not take place here. The hot forming can also be carried out as an indirect process according to a second possibility, which comprises the substeps cold preforming, subsequent heating of the cold preformed component to Austenitisierungstemperatur and subsequent hot forming to produce the final contour of the molded part.

In Figur 4C ist die Oberfläche des warmumgeformten Formteils mittels Rasterelektronenmikroskop stark vergrößert gezeigt. Im Vergleich mit Figur 4B wird erkennbar, dass die vor dem Warmumformen vorliegenden feinen Zink-Kupfer-Kristalle (Figur 4B) sich nach dem Warmumformen zu größeren Körnerstrukturen zusammengebunden haben (Figur 4C).In FIG. 4C the surface of the hot-formed molding is shown greatly enlarged by means of a scanning electron microscope. In comparison with FIG. 4B It can be seen that the fine zinc-copper crystals present before hot-working ( FIG. 4B ) have bonded together after hot forming to larger grain structures ( FIG. 4C ).

In den Figuren 5A und 5B ist der Schichtaufbau eines erfindungsgemäß beschichteten Stahlsubstrats 2 vor (Figur 5A) und nach (Figur 5B) dem Warmumformen gezeigt. Es handelt sich bei den Darstellungen um die Ergebnisse einer Analyse mittels Glimmentladungsspektroskopie (englisch "Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy", GDOES). Die Glimmentladungsspektroskopie bezeichnet ein spektroskopisches Verfahren zur quantitativen Analyse von Metallen und anderen auch nichtmetallischen Feststoffen. In den Figuren 5A und 5B ist auf der x-Achse die Tiefe (d) des Werkstücks von der Oberfläche in Mikrometern (µm) angegeben. Auf der y-Achse ist die Massekonzentration (k) der jeweiligen Legierungsbestandteile in Prozent dargestellt. Dabei ist die Massekonzentration (k) skaliert angegeben mit den in den rechten Kästen zugrunde liegenden Werten. Die absoluten Anteile der jeweiligen Legierungselemente (Fe, Si, O, Al, Cu, Zn) ergeben sich aus den Prozentwerten, die auf der y-Achse ablesbar sind, multipliziert mit dem jeweiligen Skalenwert, der in dem Kasten angegeben ist. Für Kupfer (Cu) ergibt sich beispielsweise vor dem Warmumformen (Figur 5A) auf der Oberfläche (Tiefe d = 0 µm) ein Wert von ca. 76 % (Massekonzentration k abgelesen auf y-Achse) von dem im Kasten angegebenen Skalenwert von 10 %, das heißt insgesamt etwa 7,6 %. Es ergeben sich ferner entsprechend für Zink ein Wert von etwa 54 %, für Aluminium von etwa 22 %, für Silizium von etwa 13,7 % (= 76 % x 18 %) und für Sauerstoff von weniger als 1 %, jeweils auf der Oberfläche des Werkstücks (Tiefe = 0 µm). In einer Tiefe von 1 µm liegt eine typische Verteilung von Aluminium-beschichteten Material vor mit Masseanteilen von etwa 90 % Aluminium, 9 % Silizium und einem Rest von etwa 1 %, der Eisen, Kupfer, Zink und Sauerstoff enthält. Ab einer Tiefe von etwa 20 µm liegt die massemäßige Verteilung des Stahlsubstrats an, hier 22MnB5, vorliegend etwa 98 % Eisen und dem Rest verteilt auf die übrigen Legierungsbestandteile.In the FIGS. 5A and 5B is the layer structure of a steel substrate 2 coated according to the invention before ( FIG. 5A ) and after ( FIG. 5B ) shown hot working. These representations are the results of analysis by glow discharge spectroscopy (GDOES). Glow discharge spectroscopy refers to a spectroscopic method for the quantitative analysis of metals and other non-metallic solids. In the FIGS. 5A and 5B is the depth (d) of the workpiece on the x-axis indicated by the surface in micrometers (μm). On the y-axis, the mass concentration (k) of the respective alloy components is shown in percent. The mass concentration (k) is scaled with the values in the right boxes. The absolute proportions of the respective alloying elements (Fe, Si, O, Al, Cu, Zn) are given by the percentages readable on the y-axis multiplied by the respective scale value indicated in the box. For copper (Cu), for example, before hot-forming ( FIG. 5A ) on the surface (depth d = 0 .mu.m) has a value of about 76% (mass concentration k read on the y-axis) of the scale value of 10% given in the box, that is to say a total of about 7.6%. There is also a corresponding value for zinc of about 54%, for aluminum of about 22%, for silicon of about 13.7% (= 76% x 18%) and for oxygen of less than 1%, each on the surface of the workpiece (depth = 0 μm). At a depth of 1 μm, there is a typical distribution of aluminum-coated material with mass fractions of about 90% aluminum, 9% silicon and a balance of about 1% containing iron, copper, zinc and oxygen. From a depth of about 20 microns is the mass distribution of the steel substrate, here 22MnB5, in the present case about 98% iron and the rest distributed to the other alloying components.

Nach dem Warmumformen (Figur 5B) haben sich die Anteile an Aluminium und Silizium, ausgehend von einer Tiefe zwischen etwa 1 µm und 20 µm, aufgrund von Diffusionsprozessen hin zu größeren Tiefen von mehr als 30 µm in das Stahlsubstrat verschoben, und entsprechend reduziert. So liegt der Anteil an Aluminium nach dem Warmumformen in einer Tiefe von 1 µm bei etwa 40 % und der von Silizium bei etwa 4 %, wohingegen der Anteil an Eisen auf etwa 50 % angestiegen ist. Auch an der Oberfläche, das heißt im Bereich der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung 11, insbesondere in einer Tiefe von bis zu 1 µm, haben Diffusionsprozesse zu einer Veränderung der Massenkonzentration geführt. So hat sich der Anteil an Zink auf der Oberfläche von vormals etwa 54 % auf etwa 50 % und der von Kupfer von vormals etwa 7,6 % vor dem Warmumformen auf 2 % nach dem Warmumformen reduziert.After hot forming ( FIG. 5B ), the proportions of aluminum and silicon, starting from a depth between about 1 .mu.m and 20 .mu.m, have shifted into greater depths of more than 30 .mu.m into the steel substrate due to diffusion processes, and reduced accordingly. Thus, the proportion of aluminum after hot working at a depth of 1 .mu.m is about 40% and that of silicon is about 4%, whereas the proportion of iron has increased to about 50%. Also on the surface, that is to say in the area of the nano-crystalline zinc-copper coating 11, in particular at a depth of up to 1 μm, diffusion processes have led to a change in the mass concentration. For example, the proportion of zinc on the surface has been reduced from about 54% to about 50% and that of copper from about 7.6% before hot forming to 2% after hot working.

In den Figuren 6A und 6B sind rasterelektronische Aufnahmen der Oberflächen eines nur mit Aluminium-Beschichtung 4 (nicht aber mit Zink-Kupfer-Beschichtung) beschichteten Werkstücks (Figur 6A) und eines erfindungsgemäß mit Aluminium-Beschichtung 4 und darauf aufgebrachter Zink-Kupfer-Beschichtung 11 beschichteten Werkstücks (Figur 6B) einander gegenübergestellt. Bei dem Substrat mit Aluminium-Beschichtung (ohne weitere Beschichtung darüber) gemäß Figur 6A ist eine relativ grobe Oberflächenstruktur erkennbar. Demgegenüber hat das erfindungsgemäße Substrat 2 mit auf die Aluminium-Beschichtung 4 aufgebrachter Zink-Kupfer-Beschichtung 11 gemäß Figur 6B eine sehr feinkörnige beziehungsweise feinkristalline Oberflächenstruktur.In the Figures 6A and 6B are scanning electronical recordings of the surfaces of a only with aluminum coating 4 (but not with zinc-copper coating) coated workpiece ( FIG. 6A ) and a workpiece coated according to the invention with aluminum coating 4 and zinc-copper coating 11 applied thereon ( FIG. 6B ) faced each other. For the substrate with aluminum coating (without further coating above) according to FIG. 6A is a relatively rough surface structure recognizable. In contrast, the substrate 2 according to the invention has applied to the aluminum coating 4 zinc-copper coating 11 according to FIG. 6B a very fine-grained or fine-crystalline surface structure.

Ein wesentlicher Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, dass die Zink-Kupfer-Beschichtung 11 in der Wärmevorrichtung eine Reaktion von Wasserdampf mit der Aluminium-Beschichtung 4 verhindert beziehungsweise zumindest hemmt. Folglich ist das Risiko der Wasserstoffversprödung minimiert, was sich insgesamt positiv auf die Festigkeit und Lebensdauer des Formteils auswirkt.A significant advantage of the present method is that the zinc-copper coating 11 in the heating device prevents or at least inhibits a reaction of water vapor with the aluminum coating 4. Consequently, the risk of hydrogen embrittlement is minimized, which has an overall positive effect on the strength and life of the molded part.

Versuche haben gezeigt, dass die Aufnahme von diffusiblem Wasserstoff (Hdiff) bei Herstellung von Formteilen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verglichen mit der Herstellung von Formteilen gemäß einem herkömmlichen Verfahren, bei dem keine Zink-Kupfer-Beschichtung auf die Aluminium-Beschichtung aufgebracht wird, deutlich vermindert werden kann. Dies liegt an der nanokristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung 11, die eine Barriere gegen diffusiblen Wasserstoff bildet.Experiments have shown that the uptake of diffusible hydrogen (Hdiff) in the production of moldings according to the inventive method compared to the production of moldings according to a conventional method in which no zinc-copper coating is applied to the aluminum coating, significantly reduced can be. This is due to the nanocrystalline zinc-copper coating 11, which forms a barrier against diffusible hydrogen.

In Figur 7 zeigt die genannten Vergleichsergebnisse, wobei auf der y-Achse die Menge an aufgenommenen diffusiblem Wasserstoff (Hdiff) angegeben ist. Die Säule links der gestrichelten Linie gibt den aufgenommenen Wasserstoff für Werkstücke an, die nur mit Aluminium-Beschichtung 4 (nicht aber mit Zink-Kupfer-Beschichtung) versehen worden sind. Die drei Säulen rechts der gestrichelten Linie geben den aufgenommenen Wasserstoff für Werkstücke an, die erfindungsgemäß mit Aluminium-Beschichtung 4 und mit darauf aufgebrachter Zink-Kupfer-Beschichtung 11 versehen worden sind, und zwar für verschiedene Beschichtungsdauern von einer Minute (linke Säule), 3 Minuten (mittlere Säule) und 5 Minuten (rechte Säule). Es ist erkennbar, dass die Aufnahme an diffusiblem Wasserstoff (Hdiff) mit zunehmender Zeitdauer beziehungsweise zunehmender Dicke der Zink-Kupfer-Beschichtung 11 sinkt. Ferner ist erkennbar, dass die Aufnahme an diffusiblem Wasserstoff (Hdiff) bei den erfindungsgemäßen Proben mit Zink-Kupfer-Beschichtung 11 verglichen mit den Proben ohne Zink-Kupfer-Beschichtung 11 (Hdiff = 100 %) deutlich reduziert ist, und zwar um 54 % bei Proben mit ein-minütiger Beschichtungsdauer, um 62 % bei 3-minütiger Beschichtungsdauer und um 60 % bei 5-minütiger Beschichtungsdauer.In FIG. 7 shows the comparison results mentioned, wherein the amount of absorbed diffusible hydrogen (Hdiff) is indicated on the y-axis. The column to the left of the dashed line indicates the absorbed hydrogen for workpieces that have only been provided with aluminum coating 4 (but not zinc-copper coating). The three columns on the right of the dashed line indicate the absorbed hydrogen for workpieces that have been provided according to the invention with aluminum coating 4 and applied thereon zinc-copper coating 11, for different coating periods of one minute (left column), 3rd Minutes (middle column) and 5 minutes (right column). It can be seen that the Absorption of diffusible hydrogen (Hdiff) decreases with increasing duration or increasing thickness of the zinc-copper coating 11. Furthermore, it can be seen that the uptake of diffusible hydrogen (Hdiff) is significantly reduced in the samples according to the invention with zinc-copper coating 11 compared to the samples without zinc-copper coating 11 (Hdiff = 100%), namely by 54%. for samples with one minute coating time, 62% for a 3-minute coating period, and 60% for a 5-minute coating period.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß beschichteten Stahlsubstrats beziehungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Abrieb im Warmformwerkzeug 15 aufgrund der Zink-Kupfer-Beschichtung 11 vermindert ist.A further advantage of the steel substrate coated according to the invention or of the method according to the invention is that the abrasion in the thermoforming tool 15 is reduced due to the zinc-copper coating 11.

Versuche im Zusammenhang mit dem Erwärmen der Platinen im Rahmen des Warmumformens (S5) haben ferner gezeigt, dass sich das erfindungsgemäße beschichtete Stahlsubstrat 2 mit Aluminium-Beschichtung und nano-kristalliner Zink-Kupfer-Beschichtung verglichen mit herkömmlichem Stahlsubstrat, das nur eine Aluminium-Beschichtung, aber keine Zink-Kupfer-Beschichtung aufweist, deutlich schneller aufheizt. Auch dieser Effekt ist auf die nanokristalline Zink-Kupfer-Beschichtung 11 zurückzuführen, welche nämlich eine dunkle Oberfläche hat, die folglich einen höheren Absorptionsgrad von Wärme aufweist.Experiments in connection with the heating of the boards in the course of hot working (S5) have further shown that the coated steel substrate 2 according to the invention with aluminum coating and nano-crystalline zinc-copper coating compared to conventional steel substrate, the only aluminum coating but has no zinc-copper coating, heats up much faster. This effect is also due to the nanocrystalline zinc-copper coating 11, which has a dark surface, which consequently has a higher degree of absorption of heat.

Figur 8 zeigt die Aufheizraten von erfindungsgemäß beschichtetem Stahlsubstrat 2, die als durchgezogene Linie dargestellt ist, und herkömmlichem Aluminium-beschichteten Stahlsubstrat, die als strich-punktierte Linie gezeigt ist. Auf der y-Achse ist die Temperatur in Grad Celsius T (°C) angegeben; auf der x-Achse die Zeit in Sekunden t (s). Es ist erkennbar, dass die Ac3-Temperatur, die für 22MnB5 bei etwa 870°C liegt, bei dem erfindungsgemäß beschichtetem Stahlsubstrat 2 mit Aluminium-Beschichtung 4 und Zink-Kupfer-Beschichtung 11 schon nach etwa 100 Sekunden erreicht wird, während das Aluminium-beschichtete Substrat mit etwa 130 Sekunden deutlich länger braucht. Somit kann die Verweilzeit des erfindungsgemäßen Stahlsubstrats 2 in der Wärmeeinrichtung reduziert werden, was zu schnelleren Taktzeiten führt. FIG. 8 FIG. 12 shows the heating rates of steel substrate 2 coated according to the invention, shown in solid line, and conventional aluminum-coated steel substrate, shown as a dot-dash line. On the y-axis the temperature is given in degrees Celsius T (° C); on the x-axis the time in seconds t (s). It can be seen that the Ac3 temperature, which is about 870 ° C. for 22MnB5, is reached after about 100 seconds in the case of the steel substrate 2 with aluminum coating 4 and zinc-copper coating 11 coated according to the invention, while the aluminum coated substrate with about 130 seconds takes much longer. Thus, the residence time of the steel substrate 2 according to the invention can be reduced in the heating device, resulting in faster cycle times.

Schließlich ist als weiterer Vorteil zu nennen, dass die Zink-Kupfer-Beschichtung 11 in einem späteren Schritt phosphatiert werden kann, beziehungsweise, dass eine Phosphatschicht an der Zink-Kupfer-Beschichtung 11 anhaftet, was bei einer Aluminium-beschichteten Oberfläche nicht gegeben ist. Die Phosphatschicht verbessert die Haftung einer später auf das Formteil aufzubringenden kathodischen Tauchlackierung, was wiederum zu einem verbesserten Korrosionsschutz führt.Finally, another advantage is that the zinc-copper coating 11 in a later step may be phosphated, or that a phosphate layer adheres to the zinc-copper coating 11, which is not the case with an aluminum-coated surface. The phosphate layer improves the adhesion of a cathodic dip coating to be applied later to the molded part, which in turn leads to improved corrosion protection.

Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Verfahrensführung auch abgewandelt werden kann. Beispielsweise können zwischen den genannten Schritten auch hier nicht gesondert gezeigte Zwischenschritte vorgesehen sein. Beispielsweise kann das beschichtete Stahlsubstrat 2 nach dem Aufbringen der nanokristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung 11 mit einer Schutzschicht, beispielsweise einem Lack, versehen werden, der die Beschichtung bis zum Warmumformen schützt.It is understood that the process control according to the invention can also be modified. For example, intermediate steps which are not separately shown here can also be provided between the mentioned steps. For example, after the application of the nanocrystalline zinc-copper coating 11, the coated steel substrate 2 can be provided with a protective layer, for example a lacquer, which protects the coating until hot-forming.

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem Stahlsubstrat 2 nach einer zweiten Verfahrensführung. Diese entspricht weitestgehend dem Verfahren gemäß Figur 1, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise abgewandelte Bauteile beziehungsweise Schritte mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in Figur 1. Im Folgenden wird im Wesentlichen auf die Unterschiede des vorliegenden Verfahrens eingegangen. FIG. 2 shows a method according to the invention for producing a molded part from a steel substrate 2 according to a second process procedure. This largely corresponds to the method according to FIG. 1 , so that reference is made to the above description in terms of similarities. The same or modified components or steps are provided with the same reference numerals, as in FIG. 1 , In the following, the differences between the present method will be discussed.

Die Verfahrensschritte S1 (Aufbringen der Aluminium-Beschichtung 4), S2 (Walzen) und S5 (Warmumformen) entsprechen den Verfahrensschritten S1, S2 und S5 gemäß Figur 1.The process steps S1 (application of the aluminum coating 4), S2 (rolling) and S5 (hot working) correspond to the process steps S1, S2 and S5 according to FIG FIG. 1 ,

Der einzige Unterschied der vorliegenden Verfahrensführung besteht in der Reihenfolge der Schritte Aufbringen der nano-kristallinen Beschichtung 11 (Schritt S3) und Vereinzeln (Schritt S4), welche gegenüber dem Verfahren nach Figur 1 umgedreht sind. Das heißt bei dem vorliegenden Verfahren nach Figur 2 wird das bandförmige Aluminium-beschichtete Stahlsubstrat 2 nach dem Walzen (S2) im Schritt S3 mit der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung 11 versehen. Dies erfolgt im Durchlaufverfahren durch ein mit elektrolytischer Flüssigkeit 12 gefülltes Tauchbecken 13. Dabei erfolgt das Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung 11 wie bei der Ausführung nach Figur 1 mit einer Zinkatbeize. Hinsichtlich aller weiteren Einzelheiten wird zur Vermeidung von Wiederholungen insofern auf obige Beschreibung verwiesen.The only difference of the present process management consists in the order of the steps of applying the nano-crystalline coating 11 (step S3) and singulating (step S4), which compared to the method according to FIG. 1 are turned over. That is, according to the present method FIG. 2 After the rolling (S2), the band-shaped aluminum-coated steel substrate 2 is provided with the nano-crystalline zinc-copper coating 11 in step S3. This is done in a continuous process by a filled with electrolytic liquid 12 immersion tank 13. Dabei the application of the nano-crystalline zinc-copper coating 11 takes place as in the embodiment according to FIG. 1 with a zincate stain. With regard to all other details, reference is made to the above description to avoid repetition.

Nach dem Aufbringen der nano-kristallinen Beschichtung 11 erfolgt das Vereinzeln zu Platinen im Schritt S4. Dies erfolgt wie bei dem Verfahren nach Figur 1, auf deren Beschreibung insofern verwiesen wird. Nach dem Vereinzeln liegt eine mit Aluminium-Beschichtung 4 und mit nano-kristalliner Zink-Kupfer-Beschichtung 11 versehene Platine vor, die anschließend der Warmumformung zugeführt wird. Die Warmumformung erfolgt wie beim Verfahren nach Figur 1, auf deren Beschreibung wieder verwiesen wird. Alle Einzelheiten gemäß den Figuren 3 bis 8 gelten für das vorliegende Verfahren nach Figur 2 gleichermaßen.After the application of the nano-crystalline coating 11, the separation into boards takes place in step S4. This is done as in the method according to FIG. 1 , to the description of which reference is made. After separation, there is a board provided with aluminum coating 4 and with nano-crystalline zinc-copper coating 11, which is subsequently supplied to the hot forming. Hot forming takes place as in the process FIG. 1 , to the description of which reference is again made. All details according to the FIGS. 3 to 8 apply to the present method FIG. 2 alike.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
Stahlsubstratsteel substrate
33
Coilcoil
44
erste Beschichtungfirst coating
55
Schmelzbadmelting bath
66
Beschichtungsvorrichtungcoater
77
Walzenroll
88th
Walzenroll
99
Dickenregelungthickness control
1010
Schneidvorrichtungcutter
1111
zweite Beschichtungsecond coating
1212
elektrolytische Flüssigkeitelectrolytic liquid
1313
Tauchbeckenplunge pool
1414
Beschichtungsvorrichtungcoater
1515
WarmformwerkzeugThermoforming tool
DD
Dickethickness
dd
Tiefedepth
HdiffHdiff
diffusibler Wasserstoffdiffusible hydrogen
kk
Massenkonzentrationmass concentration
RR
Richtungdirection
S1-S6S1-S6
Verfahrensschrittesteps
TT
Temperaturtemperature
tt
ZeitTime

Claims (15)

Beschichtetes Stahlsubstrat zum Warmumformen, umfassend: eine erste Beschichtung (4), die zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium enthält, und eine zweite Beschichtung (11), welche die erste Beschichtung (4) überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtung (11) eine nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung ist, die in aufgebrachtem Zustand mindestens 60 Gewichtsprozent Zink und mindestens 5 Gewichtsprozent Kupfer enthält. A coated steel substrate for hot working comprising: a first coating (4) containing at least 85 weight percent aluminum, and a second coating (11) overlying the first coating (4), characterized in that the second coating (11) is a nano-crystalline zinc-copper coating which, when applied, contains at least 60% by weight of zinc and at least 5% by weight of copper. Beschichtetes Stahlsubstrat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Beschichtung (11) in aufgebrachtem Zustand 80 bis 90 Gewichtsprozent Zink und 10 bis 20 Gewichtsprozent Kupfer enthält.
Coated steel substrate according to claim 1,
characterized,
that the second coating (11) in the applied state 80 to 90 weight percent zinc and 10 to 20 weight percent copper.
Beschichtetes Stahlsubstrat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Beschichtung (11) bis zu 5 Gewichtsprozent Eisen und/oder bis zu 10 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Coated steel substrate according to claim 1 or 2,
characterized,
that the second coating (11) contains up to 5 percent by weight iron and / or up to 10 weight percent nickel.
Beschichtetes Stahlsubstrat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Beschichtung (11) nur Zink und Kupfer enthält.
Coated steel substrate according to claim 1 or 2,
characterized,
that the second coating (11) contains only zinc and copper.
Beschichtetes Stahlsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Beschichtung (11) eine Dicke (D11) von bis zu zwei Mikrometern (2 µm), insbesondere von bis zu 800 Nanometern (800 nm) aufweist, und/oder
dass die zweite Beschichtung (11) eine Dicke (D11) von mindestens 10 Nanometern (10 nm), insbesondere von mindestens 200 Nanometern (200 nm) aufweist.
Coated steel substrate according to any one of claims 1 to 4,
characterized,
that the second coating (11) has a thickness (D11) of up to two microns (2 microns), in particular of up to 800 nanometers (800 nm), and / or
that the second coating (11) of at least 10 nanometers has a thickness (D11) (10 nm), especially of at least 200 nanometers (200 nm).
Beschichtetes Stahlsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Beschichtung (11) mittels stromloser Abscheidung, elektrolytischer Abscheidung, durch ein galvanisches Verfahren, PVD-Verfahren, CVD-Verfahren oder Feuerbeschichtungsverfahren aufgebracht ist.
Coated steel substrate according to any one of claims 1 to 5,
characterized,
in that the second coating (11) is applied by means of electroless deposition, electrodeposition, by a galvanic process, PVD process, CVD process or fire-coating process.
Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Formteils mit den Schritten: Beschichten eines Stahlsubstrats (2) mit einer Aluminium-Beschichtung (4), wobei die Aluminium-Beschichtung (4) in auf das Stahlsubstrat (2) aufgebrachtem Zustand mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium enthält, Aufbringen einer nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung (11), die in aufgebrachtem Zustand mindestens 60 Gewichtsprozent Zink und 5 Gewichtsprozent Kupfer enthält, wobei das Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung (11) nach dem Beschichten (S3) des Stahlsubstrats (2) mit der Aluminium-Beschichtung (4) erfolgt; Herausarbeiten einer Platine aus dem Stahlsubstrat (2); Warmumformen der Platine zum Erzeugen eines gehärteten Formteils. Method for producing a hardened molded part with the steps: Coating a steel substrate (2) with an aluminum coating (4), wherein the aluminum coating (4) contains at least 85 percent by weight aluminum in a state applied to the steel substrate (2), Applying a nano-crystalline zinc-copper coating (11) which, when applied, contains at least 60% by weight of zinc and 5% by weight of copper, wherein the application of the nano-crystalline zinc-copper coating (11) after coating (S3) of the Steel substrate (2) with the aluminum coating (4) takes place; Working out a board from the steel substrate (2); Hot forming the board to produce a cured molding. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung (11) durch insbesondere stromlose Abscheidung auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird.
Method according to claim 7,
characterized,
that the nano-crystalline zinc-copper coating (11) by particular electroless deposition is applied to the steel substrate (2).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung (11) mittels einer legierten Zinkat-beize aufgebracht wird, die insbesondere zumindest Natriumhydroxid, Zinkoxid, Komplexbildner und Metallsalze wie Eisen und Kupfer enthält.
Method according to claim 7 or 8,
characterized,
in that the nano-crystalline zinc-copper coating (11) is applied by means of an alloyed zincate stain which contains in particular at least sodium hydroxide, zinc oxide, complexing agents and metal salts such as iron and copper.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die nano-kristalline Zink-Kupfer-Beschichtung (11) innerhalb einer Zeit von 0,5 bis 5,0 Minuten auf das Stahlsubstrat (2) aufgebracht wird.
Method according to one of claims 7 to 9,
characterized,
that the nano-crystalline zinc-copper coating (11) is applied to the steel substrate (2) within a time of 0.5 to 5.0 minutes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche der Aluminium-Beschichtung (4) vor dem Aufbringen der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung aktiviert wird, insbesondere mittels Beizen in einer Aluminium enthaltenden Beize, wobei eine außenliegende Oxidschicht der Aluminium-Beschichtung entfernt wird.
Method according to one of claims 7 to 10,
characterized,
in that the surface of the aluminum coating (4) is activated prior to the application of the nano-crystalline zinc-copper coating, in particular by means of pickling in an aluminum-containing pickle, wherein an outer oxide layer of the aluminum coating is removed.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass als weiterer Schritt vorgesehen ist:
Walzen, insbesondere Flexibles Walzen, wobei das Walzen vor oder nach dem Beschichten des Stahlsubstrats (2) mit der Aluminium-Beschichtung (4) durchgeführt wird.
Method according to one of claims 7 to 11,
characterized,
that is provided as a further step:
Rolling, in particular flexible rolling, wherein the rolling is carried out before or after the coating of the steel substrate (2) with the aluminum coating (4).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Herausarbeiten der Platine aus dem Stahlsubstrat (2) vor oder nach dem Beschichten des Stahlsubstrats (2) mit der nano-kristallinen Zink-Kupfer-Beschichtung (11) erfolgt.
Method according to one of claims 7 to 12,
characterized,
that the working out of the board from the steel substrate (2) before or after the coating of the steel substrate (2) with the nano-crystalline zinc-copper coating (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Warmumformen der Platine folgende Teilschritte beinhaltet: Erwärmen zumindest eines Teilbereichs der Platine auf Austenitisierungstemperatur; Einlegen der Platine in ein Warmformwerkzeug (15); Warmumformen und Abkühlen der Platine im Warmformwerkzeug (15) zur Erzeugung eines gehärteten Formteils.
Method according to one of claims 7 to 13,
characterized,
that the hot forming of the board includes the following steps: Heating at least a portion of the board to austenitizing temperature; Inserting the board into a thermoforming tool (15); Hot forming and cooling of the board in the thermoforming mold (15) to produce a cured molding.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass als weiterer Schritt vorgesehen ist:
Phosphatieren des gehärteten Formteils.
Method according to one of claims 7 to 14,
characterized,
that is provided as a further step:
Phosphating the cured molding.
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