EP4673573A1 - Verfahren zum herstellen eines gehärteten stahlblechbauteils - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines gehärteten stahlblechbauteils

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Publication number
EP4673573A1
EP4673573A1 EP24706460.3A EP24706460A EP4673573A1 EP 4673573 A1 EP4673573 A1 EP 4673573A1 EP 24706460 A EP24706460 A EP 24706460A EP 4673573 A1 EP4673573 A1 EP 4673573A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
furnace
zinc
heating rate
heating
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24706460.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Sommer
Ernst Dietmar SCHACHINGER
Siegfried Kolnberger
Josef Faderl
Florian Gerstner
Daniel URMONEIT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voestalpine Stahl GmbH, Voestalpine Metal Forming GmbH filed Critical Voestalpine Stahl GmbH
Publication of EP4673573A1 publication Critical patent/EP4673573A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/185—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering from an intercritical temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/04—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
    • C23C2/06—Zinc or cadmium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/34—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the shape of the material to be treated
    • C23C2/36—Elongated material
    • C23C2/40—Plates; Strips

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hardened sheet steel component.
  • sheet steel components with increased stability are usually hardened sheet steel components, i.e. sheet steel components that have a significantly higher hardness and tensile strength than sheet steel components made of conventional steel.
  • hardened sheet steel components are used because hardening enables components to be made that can have a reduced wall thickness compared to components made of non-hardenable steel types. This makes it possible to provide steel bodies for motor vehicles that are comparatively light while being extremely stable.
  • the hardening mechanism used is known as quench hardening, in which the steel material is first converted into its high-temperature phase, known as austenite or gamma iron, by heating. This fully or partially austenitic steel structure is then cooled at a cooling rate that is higher than the so-called critical cooling rate of the steel alloy.
  • critical cooling rate for the boron-manganese steel 22MnB5 is around 23 Kelvin per second.
  • the austenitic phase does not transform back into ferrite, but rather into martensite.
  • the rapid cooling essentially freezes this martensitic phase. Since austenite can dissolve significantly more carbon than martensite, carbon precipitation occurs, which distorts the lattice and leads to the high hardness.
  • the prerequisite for this is that the steel material or steel alloy contains sufficient carbon, which is ensured by using suitable alloys.
  • the steel industry usually provides so-called boron-manganese steels for this purpose, with one of the most common steels being 22MnB5, which is, however, part of a comparatively large family of steel grades.
  • a steel material with the following composition in mass percent is used:
  • press hardening also known as the direct process, in which a blank is cut out of a flat steel sheet and then brought to the necessary austenitizing temperature and, if necessary, held at this temperature. This blank is then transferred to a forming press, in which the blank is formed while hot, preferably with a single stroke, and quenched by the cold press hardening tool. Since only one forming stroke and only one tool is available, the final trimming of outer edges and holes in press-hardened components can usually only be done when the component is hardened - this is usually done using laser cutting.
  • This press hardening results in hardened components that usually do not have a shape that is too complex, since only one forming stroke is available.
  • form hardening also known as the indirect process, in which A blank is cut out of a steel sheet and this is first formed and trimmed into a sheet steel pre-assembly using conventional cold forming processes.
  • This pre-assembly is formed in such a way that it is slightly smaller in all three spatial directions than the target geometry, as it is then heated to the austenitizing temperature and expands accordingly due to thermal expansion.
  • this pre-assembly is quickly transferred to a hot-dip quenching press, in which the already fully formed pre-assembly is in contact with the hot-dip quenching tool in the closed press and is only held in place to cool it quickly. Only minor calibrations or adjustments are usually carried out in the press. As the components are usually completely trimmed in the cold forming process, trimming in the hardened state is usually no longer necessary. Hot-dip quenching allows for more complex components, as the upstream, usually multi-stage forming and trimming process in the cold state allows for more freedom in shaping.
  • galvanized steel sheets for the two aforementioned processes, whereby these galvanized steel sheets usually have a zinc-based coating that contains a certain proportion of one or more elements with an even higher affinity for oxygen. These elements with an even higher affinity for oxygen diffuse to the surface during the high-temperature process required for austenitization and form a glassy layer there, an oxide skin, which protects the underlying zinc layer from evaporating during the high-temperature process.
  • the applicant uses suitable galvanized steel sheets in both processes.
  • ZF coatings also called GA coatings
  • Z coatings also known as GI coatings, i.e. coatings that are essentially based on zinc.
  • the layer contains not only zinc but also around 0.2 to 2% by weight of aluminum.
  • aluminium which, during heat treatment for the purpose of austenitisation, forms a very thin aluminium oxide skin on the surface, which, as already mentioned, prevents large-scale zinc evaporation.
  • press-hardened components or form-hardened components with zinc coatings sometimes, in a fluctuating and unpredictable manner, either completely or only in certain areas, have a silver coloring in addition to the familiar greenish-brownish color.
  • a silver coloring in the sense of the invention can also be perceived as light gray or light grayish and can also appear matt or shiny in places.
  • the frequency of silver coloring increases in particular with the thickness of the coating.
  • the silver coloration develops when the entire zinc layer has not been converted into solid zinc-iron phases up to a temperature of 530 °C, i.e. when there is still liquid zinc left on the surface at 530 °C and/or there is a lack of oxygen at higher temperatures.
  • the temperature of around 530 °C marks the end of the existence of the so-called zeta zinc-iron phase.
  • Different and fluctuating coloring of the surface of a steel component is not necessarily a quality feature with regard to the surface itself, but can lead to problems.
  • the different and fluctuating emission levels can cause a further problem, particularly for hot stamping, due to the resulting different and fluctuating cooling behavior of the pre-assembled parts between the furnace and the press. After austenitizing, the pre-assembled parts are transferred to the corresponding hot stamping press. As already mentioned, differently colored areas or areas with different degrees of emission can show different cooling behavior. Since during form hardening the component is no longer trimmed or influenced in any other way after hardening, the insertion temperature of the austenitized pre-component must be correct, since the insertion temperature ultimately determines the size of the component as the sum of the pre-formed shape and the thermal expansion.
  • the silver coloring mentioned is also often undesirable on the customer side, as it does not provide a uniform surface appearance of the components.
  • the object of the invention is to provide a method for producing sheet steel components without silver coloring with a uniform emissivity.
  • a steel sheet plate or a steel strip which has a zinc-based coating.
  • This layer can advantageously have a thickness of 5 pm to 20 pm per side. This can ensure good corrosion protection.
  • the coating can be a Z80 or Z120 or Z140 or Z180 according to DIN EN 10346.
  • Zinc-based corrosion protection layers can have a comparatively high zinc content of 85% to 99% by weight and, in addition to unavoidable impurities, also contain aluminum in the range of 0.2 to 2% by weight. They can also contain other oxygen-affine elements such as magnesium. Particularly preferably, the metallic anti-corrosive layer based on zinc can be applied using a hot-dip process. This can be a simple and robust method of application.
  • the heating rate can be increased in order not to extend the time spent in the furnace and thus the cycle time.
  • the heating rates can therefore have variable values over the furnace dwell time.
  • a heating rate of between 420 °C and 530 °C is thus set, which should be below a limit value, whereby the furnace temperature, the sheet thickness, the thickness of the zinc layer, the oiling condition and the steel alloy are the most important influencing factors for the heating rate of a steel sheet blank or a steel sheet prefabricated part in a furnace.
  • the thickness of the zinc layer is a relevant influencing factor for the possible heating rate.
  • oxygen saturation it was found that the oxygen available for zinc oxidation is influenced by burning oil, dew point, weather conditions, new furnace elements and the strength of convection in the furnace, especially during long production intervals.
  • the oxygen consumption by burning oil is influenced by the amount of anti-corrosive oil on the blank or pre-component surface and, if necessary, additionally by the amount of cold forming oil present on the pre-component surface.
  • the dew point is determined in particular by the climate zone and the system environment.
  • the weather conditions have an influence through chimney effects or through the displacement of oxygen by gaseous combustion products. It has also been found that new oven elements, such as stainless steel, ceramic or other insulating materials, can consume or bind oxygen or have an influence on the oxygen saturation.
  • composition of the furnace atmosphere especially with regard to the oxygen content, can be locally inhomogeneous.
  • At least 5 vol.% oxygen can be made available close to the surface starting at a temperature of 800 °C. Close to the surface here means in an area closer than 10 mm to the surface of the circuit board or the pre-assembled part.
  • the heating rate especially in the temperature range between 420 °C and 530 °C, some considerations are necessary below.
  • the zinc layer melts at about 420 °C.
  • the layer thickness d is replaced by d+do.
  • the formula gives a constant heating rate of 8.6 K/s as the limit for silver coloration for the zinc layer Z140 (9.8 pm thick) between 420 °C and 530 °C and 6 K/s as the maximum possible for Z180 (12.6 pm thick). This could be verified experimentally, so that at a heating rate below this, the silveriness number is greater than 1 and this does not lead to silver coloration, and at a heating rate above this in the temperature range mentioned, an undesirable silver coloration occurred.
  • the invention thus relates to a method for producing components from sheet steel, wherein a sheet steel blank is cut out of a flat hot- and cold-rolled steel strip coated with a zinc-based coating and the sheet steel blank is either heated, at least in part, to a temperature above Ac3 and then formed in a press hardening tool while hot and quench-hardened, or the sheet steel blank is cold-formed to form a sheet steel pre-component and the sheet steel pre-component is heated, at least in part, to a temperature above Ac3 and then quench-hardened in a form hardening tool, wherein the heating takes place in the temperature range from 420 °C to 530 °C in such a way that the silveriness number S is greater than 1, where: where r(T) is the heating rate in Kelvin per second,
  • T is the temperature in Kelvin
  • r(T) > 0 in the temperature range 7 ⁇ ⁇ T ⁇ T 2 and 7 ⁇ 693 K
  • T 2 803 K
  • d is the zinc layer thickness in m
  • constant b 4.0 * 10 7 m 2 /s
  • constant d 0 4.4 * 10“ 6 m
  • it can be done by radiation and convection.
  • Heating by radiation can be achieved, for example, by an infrared heater.
  • An advantageous further development provides that with increasing zinc coating thickness t/ the heating rate r is reduced, so that if dl ⁇ d2 ⁇ d3, the heating rate is set such that r(dl) > r(d2) > r(d3).
  • the average heating rate between 420 °C and 530 °C is less than 15 K/s for the zinc coating Z80, less than 8.6 K/s for the zinc coating Z140 and less than 6 K/s for the zinc coating Z180.
  • An advantageous further development provides that for heating above 800 °C an oxygen content in the furnace atmosphere in an area closer than 10 mm to the surface of the blank or the steel prefabricated part of at least 5 vol.% is ensured.
  • the heating rate is set in the temperature range from 420 °C to 530 °C, between 3 K/s and 15 K/s and below the respective critical heating rate, whereby the critical heating rate depends on the thickness of the zinc-based layer and becomes smaller with increasing thickness.
  • An advantageous further development provides that in a continuous furnace in the furnace area corresponding to a blank or pre-component temperature of 420 to 530 °C or in the furnace area corresponding to a blank or pre-component temperature of up to 530 °C, the furnace heating power is reduced such that the critical heating rate in the temperature range from 420 °C to 530 °C is not exceeded.
  • An advantageous further development provides that in the areas in which the board or the pre-assembly part has a temperature of less than 420 °C and/or in particular in the areas in which the board or the pre-assembly part has a temperature of more than 530 °C, the furnace heating power is increased in order to keep the cycle time as short as possible.
  • An advantageous further development provides that in furnace areas in which the blank or the pre-assembled part is at 800 °C or more, the existing furnace atmosphere is circulated.
  • An advantageous further development provides that in heating devices in which the blank or the steel pre-component is heated in a stationary manner, such as multi-layer chamber furnaces, the furnace heating power is reduced permanently or over time in such a way that the critical heating rate in the temperature range from 420 °C to 530 °C is not exceeded.
  • the zinc-based coating has a layer thickness of 5 pm to 16 pm per side.
  • the steel strip is formed from a hardenable steel alloy, in particular a boron-manganese steel and particularly preferably a 22MnB5 or 20MnB8 or 34MnB5.
  • Carbon up to 0.4 preferably 0.15 to 0.35 and Silicon up to 1.9, preferably 0.11 to 1.5 and
  • Chromium up to 1.5, preferably 0.1 to 0.9 and
  • Molybdenum up to 0.9, preferably 0.001 to 0.1 and nickel up to 0.9, preferably 0.01 to 0.2 and
  • Titanium up to 0.2 preferably 0.02 to 0.1 and
  • Aluminium up to 0.2, preferably 0.02 to 0.07 and boron up to 0.01, preferably 0.0005 to 0.005 and
  • Phosphorus max. 0.025, preferably max. 0.01 and
  • Figure 1 a sheet measuring 15 x 20 cm with silvery colouring after austenitization
  • Figure 2 the sheet according to Figure 1 in a SEM image
  • Figure 3 a sheet measuring 15 x 20 cm with a greenish colour according to
  • Figure 4 the sheet according to Figure 3 in a SEM image
  • Figure 5 the critical heating rate as a function of the zinc layer thickness
  • Figure 6 a temperature-furnace location curve of a continuous furnace with constant flow rate
  • Figure 7 a diagram showing the silveriness limits at given heating rates at
  • Figure 8 a diagram showing two heating rate curves with and without silver staining
  • Figure 9 schematically the influence on the heating rate in the temperature range of
  • Figure 10 schematically the influence on the heating rate in the temperature range from 420°C to 530°C in a chamber of a multi-layer chamber furnace (MLK);
  • Figure 11 schematically showing the influence on the near-surface oxygen content from a temperature of 800 °C in a continuous flow furnace (DLO);
  • Figure 12 schematically showing the influence on the near-surface oxygen content from a temperature of 800 °C in a chamber of a multi-layer chamber furnace (MLK);
  • Figure 13 a comparison of the conventional heating rate curve according to the prior art with a possible heating according to the invention;
  • Figure 14 two possible heating routes according to the invention with different heating rates after reaching 530°C.
  • Figure 1 shows a steel sheet that has been coated with zinc and has a silvery appearance after austenitization
  • Figure 3 shows a corresponding steel sheet that has a greenish appearance after austenitization.
  • Figures 2 and 4 show the corresponding SEM images of the surfaces.
  • hardened components which have a zinc-based coating can exhibit silver discoloration as shown in Figure 1.
  • the probability of silver discoloration increasing with the thickness of the zinc coating.
  • Components with a silver coloration according to Figures 1 and 2 have a reduced or incompletely covering zinc oxide layer over the existing aluminum oxide layer or have larger areas or surface areas without zinc oxide.
  • Such silver coloring on the component can occur globally, as in Figure 1, or only locally, and can be caused by variations in layer thickness or by differences in the substrate.
  • silver coloring is not a problem of a purely cosmetic nature.
  • customers want components that appear uniform the fluctuating silver coloring can lead to fluctuating heating behavior in the furnace and fluctuating cooling behavior between the furnace and the press due to the resulting fluctuating emissivity, with adverse consequences in terms of cost-effectiveness and/or component quality. It was also found that a strong silver coloration in combination with possibly insufficient wheel blasting can lead to problems during subsequent painting.
  • the silver coloration occurs when the heating rate exceeds a certain critical heating rate in a temperature range of 420 °C to 530 °C. Above this average critical heating rate, a silvery surface must be expected.
  • the average critical heating rate from 420 °C to 530 °C in K/s is plotted against the thickness of the zinc-based layer in micrometers.
  • the curve is the boundary line above which a silvery appearance cannot be excluded or must be expected, while below which a greenish or greenish-brownish surface appearance is achieved.
  • the temperature curve of a steel sheet prefabricated part or a steel sheet blank is not only shown as usual over the furnace residence time, but also schematically over the length of a continuous furnace with a constant throughput speed. This is permissible for continuous furnaces with a constant throughput speed, since the furnace residence time is directly proportional to the furnace position.
  • the furnace length is schematically divided into four furnace areas: an area A with a temperature range from ambient temperature to 420 °C, an area B with the critical temperature range from 420 °C to 530 °C, an area C with 530 °C to 800 °C and an area D above 800 °C up to the desired final temperature.
  • the temperature curve is plotted depending on the furnace dwell time and the furnace position.
  • the heating rate of the board or the pre-component in area B does not exceed a certain heating rate depending on the thickness of the zinc layer.
  • the cycle times cannot be tied to a region without changing the entire process in terms of time, the heating rates in area A and especially C, where they are not critical, are increased accordingly.
  • region D starting at 800 °C, further solutions can be provided according to the invention, namely that the atmosphere is adjusted at least closer than 10 mm to the surface of the blank or the steel prefabricated part so that the oxygen content is above 5 vol.%.
  • fresh air and in particular preheated fresh air
  • the existing oven atmosphere can be sufficiently circulated.
  • the heating rate is set variably and flexibly in areas A, B, C and D.
  • the heating rate is set variably and flexibly depending on the thickness of the zinc layer or zinc coating.
  • the heating rate which is defined as r, can thus have values ri in range A, r 2 in range B, r 3 in range C and r 4 in range D.
  • ri > r 2 .
  • r 2 > r 3 .
  • ri > r 2 > r 3 .
  • the heating rate r is variably reduced. If dl ⁇ d2 ⁇ d3, then the heating rate is adjusted so that r(dl) > r(d2) > r(d3).
  • Figure 5 shows the average critical heating rate from 420 °C to 530 °C over the thickness of the zinc layer
  • Figure 7 shows a diagram in which the silveriness limit curves, above which silver coloration must be expected, are plotted as critical heating rate at 530 °C as a function of the heating rate at 420 °C with an assumed linear progression between 420 °C and 530 °C for various zinc layer thicknesses. It becomes clear that the silveriness limit depends on the zinc layer thickness on the one hand and on the heating rate progression on the other.
  • Figure 8 shows two heating rates versus temperature, with a first heating rate starting at about 10 K/s and representing a classical heating rate which decreases to the final temperature.
  • the second heating rate starts at about 5 K/s, and this lower heating rate is maintained until the critical temperature of 530 °C is exceeded. After the zinc iron crystals have reached the surface, the heating rate increases sharply, only to later decrease again in line with the decreasing temperature difference between the sample and the furnace.
  • Figure 9 shows a continuous furnace in longitudinal and cross-section, with jacketed radiant tubes, which are heated by gas, for example, providing the heating.
  • the heating is carried out in such a way that the critical heating rate is not exceeded, while in the other areas a significantly higher heating rate is possible.
  • Figure 10 shows the same heating process for a multi-layer chamber furnace, whereby the furnace temperature is preferably kept constant and, if necessary, a reduction in the furnace temperature leads to the critical temperature range being passed through at a correspondingly low heating rate.
  • a furnace temperature that changes over the furnace residence time ie a furnace temperature that is low at the beginning and then increased from 530 °C, is also conceivable, as shown in the figure on the right.
  • Figure 11 shows where an atmosphere with more than 5 vol.% oxygen is achieved in a continuous furnace above a temperature of 800 °C, this is also entered in the diagram showing the temperature profile of the blanks or prefabricated components in the furnace.
  • Figure 12 shows a comparable curve for a multi-layer chamber furnace.
  • Figure 13 shows a comparison of the heating rate curve according to the prior art with a possible heating according to the invention using the example of a board coated with Z180.
  • the dashed line shows a possible heating according to a prior art method.
  • the heating rate was too high in the critical temperature range of 420 °C to 530 °C, a silvery surface appearance is achieved.
  • both heating curves reach the target temperature of 905 °C at the same time, i.e. after about 210 seconds.
  • the heating according to the invention achieves a uniform non-silvery surface appearance, since the changing gradient from 530 °C indicates that the zinc-iron crystals have reacted through to the surface. This prevents silver coloring.
  • Figure 14 shows two possible variants of an inventive setting of heating rates on two boards coated with Z180.
  • the critical temperature range of 420 °C to 530 °C is passed through at the same, comparatively low heating rate. This reliably prevents silver discoloration (the silveriness number is approximately 1.2 in each case).
  • the left line shows an increased heating rate in the temperature range above 530°C.
  • the increased heating power in this range shortened the furnace residence time by about 50 seconds. It is easy to see that with a constant heating power, which is shown by the dashed variant (right), the furnace residence time is extended, but the energy consumption and thus the CO2 emissions can be reduced compared to the other variant.
  • the advantage of the invention is that the inventive setting of the heating rate in the critical temperature range of 420 °C to 530 °C allows repeatable results to be achieved with regard to a uniform, non-silvery surface appearance.
  • the variable setting of the heating rate ensures homogeneous heating behavior in the furnace depending on the thickness of the zinc coating.
  • the heating rates can be increased below 420 °C and above 530 °C without increasing the risk of causing silver discoloration. This shortens the furnace residence time, reduces energy consumption and CO2 emissions. Overall, this significantly increases the process efficiency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Stahlblech, wobei aus einem ebenen warm- und kalt gewalzten und mit einer Beschichtung auf Basis von Zink beschichteten Stahlband eine Stahlblechplatine ausgeschnitten wird und die Stahlblechplatine zumindest teilbereichsweise entweder auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erhitzt wird und anschließend in einem Presshärtewerkzeug in heißem Zustand umgeformt und abschreckgehä tet wird, oder die Stahlblechplatine zu einem Stahlblechvorbauteil kalt umgeformt wird und das Stahlblechvorbauteil anschließend in einem Formhärtewerkzeug abschreckgehärtet wird, wobei für die Erhitzung von 420 °C bis 530 °C die Heizrate so eingestellt wird, dass die Silbrigkeitszahl S größer 1 ist und wobei die Erwärmung mit einer über die Ofenverweilzeit variablen und von der Zinkschichtdicke abhängigen Aufheizrate erfolgt.

Description

Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahl blech bautei Is
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlblechbauteils.
Es ist bekannt, im Automobilbau zur Erhöhung der Steifigkeit der Fahrgastzelle Stahlblechbauteile mit erhöhter Stabilität zu verwenden. Diese Stahlblechbauteile mit erhöhter Stabilität sind üblicherweise gehärtete Stahlblechbauteile, d.h. Stahlblechbauteile, die gegenüber Stahlblechbauteilen aus üblichem Stahl eine erheblich höhere Härte und Zugfestigkeit aufweisen. Derartige gehärtete Stahlblechbauteile werden verwendet, weil durch die Härtung Bauteile ermöglicht werden, die verglichen mit Bauteilen aus nicht-härtbaren Stahlsorten eine verringerte Wanddicke aufweisen können. Somit ist es möglich, Stahlkarosserien für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, die bei extrem hoher Stabilität vergleichsweise leicht sind.
Die Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlblechbauteile sind bekannt.
Als Härtemechanismus wird die sogenannte Abschreckhärtung verwendet, bei der das Stahlmaterial zunächst durch Aufheizen in seine Hochtemperaturphase, Austenit oder Gamma-Eisen genannt, umgewandelt wird. Dieses voll- oder teilaustenitische Stahlgefüge wird anschließend mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die über der sogenannten kritischen Abkühlgeschwindigkeit der Stahllegierung liegt, abgekühlt. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit liegt beispielsweise für den Bor-Mangan-Stahl 22MnB5 bei circa 23 Kelvin pro Sekunde.
Bei diesen Abkühlgeschwindigkeiten wandelt sich die austenitische Phase nicht wieder in Ferrit um, sondern es findet eine Umwandlung in Martensit statt. Durch das rasche Abkühlen wird diese martensitische Phase quasi eingefroren. Da Austenit erheblich mehr Kohlenstoff lösen kann als Martensit, kommt es hierbei zu einer Kohlenstoffausscheidung, welche das Gitter verzerrt und zu der hohen Härte führt. Voraussetzung hierfür ist, dass das Stahlmaterial bzw. die Stahllegierung ausreichend Kohlenstoff enthält, was durch die Verwendung geeigneter Legierungen gesichert ist. Die Stahlindustrie stellt hierfür üblicherweise sogenannte Bor-Manganstähle zur Verfügung, wobei einer der häufigsten Stähle der 22MnB5 ist, der jedoch Teil einer vergleichsweise großen Stahlsortenfamilie ist. Insbesondere wird ein Stahlmaterial mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent verwendet:
Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,15 bis 0,35 Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 Nickel bis 0,9, vorzugsweise 0,01 bis 0,2 Titan bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,1 Vanadin bis 0,2 Wolfram bis 0,2, Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01
Rest Eisen und Verunreinigungen.
In der Vergangenheit haben sich für die Verarbeitung zwei grundsätzliche Verfahren herausgebildet.
Das erste und ältere Verfahren ist das sogenannte Presshärten, auch direktes Verfahren genannt, bei dem aus einem ebenen Stahlblech eine Platine ausgeschnitten und diese anschließend auf die notwendige Austenitisierungstemperatur gebracht und gegebenenfalls auf dieser gehalten wird. Diese Platine wird anschließend in eine Umformpresse überführt, in der die Platine mit vorzugsweise einem einzigen Hub im heißen Zustand umgeformt und durch das kalte Presshärtewerkzeug abgeschreckt wird. Da nur ein Umformhub und auch nur ein Werkzeug zur Verfügung steht, kann bei pressgehärteten Bauteilen der Endbeschnitt von Außenkanten und Löchern üblicherweise erst im gehärteten Zustand erfolgen üblicherweise geschieht dies mittels Laserschneiden. Dieses Presshärten führt zu gehärteten Bauteilen, die üblicherweise eine nicht zu komplexe Form haben, da nur ein Umformhub zur Verfügung steht.
Für Bauteile mit komplexeren Geometrien und/oder höheren Stückzahlen hat die Anmelderin das sogenannte Formhärten, auch indirektes Verfahren genannt, entwickelt, bei dem aus ei- nem Stahlblech eine Platine ausgeschnitten und diese zunächst in üblichen Kaltumformprozessen zu einem Stahlblechvorbauteil umgeformt und beschnitten wird. Dieses Vorbauteil wird dabei derart umgeformt, dass es in alle drei Raumrichtungen etwas kleiner dimensioniert ist als die Sollgeometrie, da es anschließend auf die Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wird und sich durch die Wärmedehnung entsprechend vergrößert. Nach dem Austenitisieren wird dieses Vorbauteil zügig in eine Formhärtepresse überführt, in dem dieses bereits fertig geformte Vorbauteil in der geschlossenen Presse mit dem Formhärtewerkzeug in Kontakt ist und lediglich gehalten wird, um es schnell abzukühlen. In der Presse geschehen üblicherweise nur mehr geringe Kalibrierungen oder Anpassungen. Da die Bauteile im Kaltumformprozess üblicherweise bereits vollständig beschnitten werden, ist ein Beschnitt im gehärteten Zustand üblicherweise nicht mehr erforderlich. Das Formhärten erlaubt komplexere Bauteile, da durch den vorgelagerten meist mehrstufigen Umform- und Beschneideprozess im kalten Zustand mehr Formgebungsfreiheiten bestehen.
Da Karosseriebauteile moderner Kraftfahrzeuge oft nicht aus unbeschichtetem Stahlblech bestehen, sondern zur Verbesserung der Korrosionsschutzeigenschaften mit metallischen Korrosionsschutzschichten versehen sind, liegt es nahe, auch für gehärtete Bauteile von metallisch beschichteten Stahlblechen auszugehen.
Es ist bekannt, für die beiden vorgenannten Verfahren auch verzinkte Stahlbleche zu verwenden, wobei diese verzinkten Stahlbleche üblicherweise eine Beschichtung auf der Basis von Zink besitzen, die einen gewissen Anteil eines oder mehrerer noch sauerstoffaffinerer Elemente aufweisen. Diese sauerstoffaffineren Elemente diffundieren während des für das Austenitisieren nötigen Hochtemperaturprozesses an die Oberfläche und bilden dort eine glasige Schicht, eine Oxidhaut, welche die darunterliegende Zinkschicht bei dem Hochtemperaturprozess vor dem Abdampfen bewahrt.
Die Anmelderin verwendet geeignete verzinkte Stahlbleche in beiden Prozessen.
Zusätzlich zu Stahlblechen mit fast reiner Zinkschicht, d.h. Stahlblechen mit einer Beschichtung im Wesentlichen aus Zink mit sauerstoffaffineren Elementen, sind auch sogenannte ZF-Be- schichtungen, auch GA-Beschichtungen genannt, bekannt, bei denen auf die Zinkbeschichtung eine Wärmebehandlung folgt und damit am Stahlband eine Zink-Eisen-Legierungsschicht entsteht.
Bei der Wärmebehandlung zum Zwecke des Austenitisierens von presshärtenden Stählen erfolgt die Bildung der dünnen Oxidhaut aus sauerstoffaffineren Elementen nur bei sogenannten Z-Beschichtungen, auch GI-Beschichtungen genannt, also Beschichtungen im Wesentlichen auf der Basis von Zink. Bei typischen Z-Beschichtungen besteht in der Schicht neben Zink ein Anteil von etwa 0,2 bis 2% Gewichtsprozent Aluminium.
Das am meisten verwendete sauerstoffaffinere Element ist hierbei Aluminium, durch das sich bei der Wärmebehandlung zum Zwecke des Austenitisierens an der Oberfläche eine sehr dünne Aluminium-Oxidhaut ausbildet, die, wie schon ausgeführt, die großflächige Zinkabdampfung verhindert.
Beim Formhärten und beim Presshärten bilden sich in dieser sehr dünnen AI2O3-Schicht üblicherweise Risse aus, so dass es zu geringem Verdampfen von Zink und der Bildung und Ablagerung von Zinkoxid auf der Oberfläche kommt. Nach dem Presshärten oder Formhärten weisen derartige Bauteile typischerweise eine hellgrüne bis bräunliche Oberfläche auf, die durch die Belegung mit diesen Zinkoxiden zustande kommt.
Es konnte beobachtet werden, dass pressgehärtete Bauteile oder formgehärtete Bauteile mit Zinkbeschichtungen manchmal, schwankend und unvorhersehbar, ganz oder auch nur bereichsweise, neben der bekannten grünlich-bräunlichen Farbe auch eine Silberfärbung aufweisen. Eine Silberfärbung im Sinne der Erfindung kann auch als hellgrau oder hell gräulich empfunden werden und kann zudem matt oder stellenweise auch glänzend in Erscheinung treten. Erfahrungsgemäß steigt die Häufigkeit von Silberfärbungen insbesondere mit der Auflagendicke.
Weiter konnte herausgefunden werden, dass sich die Silberfärbung dann ausbildet, wenn bis zu einer Temperatur von 530 °C nicht die gesamte Zinkschicht in feste Zink-Eisen-Phasen umgewandelt ist, also bei 530 °C noch flüssiges Zink an der Oberfläche übrig ist und/oder es bei höheren Temperaturen an Sauerstoff mangelt. Die Temperatur von ca. 530 °C markiert das Ende der Existenz der sogenannten Zeta-Zink-Eisen-Phase. Unterschiedliche und schwankende Färbungen der Oberfläche eines Stahlbauteils sind bezüglich der Oberfläche selbst nicht zwingend ein Qualitätsmerkmal, können jedoch zu Problemen führen.
Es ist bekannt, dass Beschaffenheit und Farbe einer Oberfläche einen Einfluss auf die Aufnahme und Abgabe von Wärmestrahlung über die Oberfläche haben. Diese Eigenschaft wird durch den Emissionsgrad beschrieben; unterschiedliche und schwankende Färbungen können somit zu unterschiedlichen und schwankenden Emissionsgraden der Oberfläche führen. Hierbei besitzen Oberflächen mit Silberfärbungen üblicherweise signifikant niedrigere Emissionsgrade als Oberflächen mit der typischen grünlichen bis bräunlichen Färbung, was aufgrund der dadurch verringerten Wärmeströme einerseits zu einem verlangsamten Aufheizen im Ofen und andererseits zu einem verlangsamten Abkühlen beim Transfer vom Ofen zur Presse führt.
Derartige unterschiedliche und schwankende Emissionsgrade können also zu unterschiedlichem und schwankendem Aufheizverhalten im Ofen führen, was aus mehreren Gründen technisch und insbesondere wirtschaftlich problematisch sein kann. Da in jedem Falle sichergestellt sein muss, dass für die Herstellung der Bauteile das Stahlblech für das nachfolgende Härten vollständig austenitisiert ist, muss zum einen die minimale Ofenverweilzeit aller Platinen bzw. Vorbauteile derart verlängert werden, dass auch langsam aufheizende Oberflächen mit Silberfärbung sicher austenitisiert werden, obwohl diese unter Umständen nur einen Bruchteil aller Platinen bzw. Vorbauteile ausmachen; die Verlängerung der minimalen Ofenverweilzeit aller Platinen bzw. Vorbauteile resultiert üblicherweise in einer geringeren Ausbringung gehärteter Bauteile pro Produktionszeit und ist daher von Nachteil. Da die maximale Ofenverweilzeit, gegeben durch die sich schneller aufheizenden Oberflächen der typischen grünlichen bis bräunlichen Färbung, nicht im gleichen Maße verlängert werden kann, verkleinert sich zum anderen auch das vorhandene Ofenprozessfenster. Dies kann bei Produktionsstörungen zu einem erhöhten Schrottaufkommen führen, was selbstverständlich ebenfalls von Nachteil ist.
Aus den unterschiedlichen und schwankenden Emissionsgraden kann sich insbesondere für das Formhärten ein weiteres Problem aus dem resultierenden unterschiedlichen und schwankenden Abkühlverhalten der Vorbauteile zwischen Ofen und Presse ergeben. Nach dem Aus- tenitisieren werden die Vorbauteile zu der entsprechenden Formhärtepresse transferiert. Hier- bei können, wie bereits angeführt, unterschiedlich gefärbte Bereiche bzw. Bereiche mit unterschiedlichem Emissionsgrad ein unterschiedliches Abkühlverhalten zeigen. Da beim Formhärten das Bauteil nach dem Härten nachträglich nicht mehr beschnitten oder in sonstiger Weise beeinflusst wird, muss die Einlegetemperatur des austenitisierten Vorbauteils jedoch stimmen, da die Einlegetemperatur letztlich die Größe des Bauteils als Summe aus der vorgeformten Form und der Wärmedehnung bestimmt. Unterschiedliche und insbesondere schwankende Einlegetemperaturen führen beim Formhärten somit insbesondere zu Schwankungen bei der Maßhaltigkeit der Bauteile, was ein Qualitätsproblem darstellt, da dadurch vorgegebene Maßtoleranzen unter Umständen nicht eingehalten werden können. Da eine Silberfärbung üblicherweise unregelmäßig und unvorhersehbar auftritt und teilweise auch nur einzelne Bauteile bzw. Bauteilbereiche einer gemeinsam vom Ofen zur Presse beförderten Bauteilmenge betroffen sind, ist eine Korrektur bzw. Kompensation über die Transferzeit zwischen Ofen und Presse nicht möglich. Es könnte zudem naheliegen, die Silberfärbung durch eine längere Ofenverweilzeit zu beseitigen, es hat sich jedoch gezeigt, dass eine längere Ofenverweilzeit das Problem eher noch weiter verschärft als dass es dieses löst, da Bereiche mit Silberfärbung auch bei einer längeren Ofenverweilzeit beständig sind, während die übrigen Bereiche mit zunehmender Ofenverweilzeit zunehmend dunkler werden; eine längere Ofenverweilzeit wäre zudem aus bereits genannten Gründen unwirtschaftlich und damit nachteilig.
Es ist ferner bekannt, dass derartige verzinkte hochtemperaturbehandelte Stahlbleche oder Stahlblechbauteile nach dem Presshärten oder Formhärten oft noch nachbehandelt werden. Der hauptsächlich angewendete Prozess ist das sogenannte Schleuderradstrahlen. Bei einer stark ausgeprägten Silberfärbung konnte festgestellt werden, dass Lackhaftungsprobleme auftreten können, falls das Schleuderradstrahlen ungenügend war.
Die genannte Silberfärbung ist zudem kundenseitig oft unerwünscht, da mit dieser ein uniformes Oberflächenbild der Bauteile nicht gegeben ist.
In den Figuren 1 und 2 sind eine silbrig-graue Oberfläche und eine grünliche Oberfläche gegenübergestellt, wobei die silbrig-graue Oberfläche von Aluminiumoxid dominiert wird, während die grünliche Oberfläche von Zinkoxid dominiert wird. Aus der EP 2 611 945 Bl ist ein Verfahren zum Erzeugen gehärteter Stahlblechbauteile bekannt, bei dem ein vorgegebenes Aufheizregime eingehalten werden soll, wobei bis zu einer Temperatur von 500 °C eine Aufheizrate von 16 bis 50 K/s eingehalten werden soll; hierdurch soll eine raschere Erwärmung sichergestellt werden.
Aus der DE 10 2020 113287 Al ist ein Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlblechbauteile bekannt, bei dem zur Vermeidung silbriger Stellen der Taupunkt im Ofen eingestellt wird.
Aus der DE 10 2020 106996 Al ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen von zinkbeschichteten Bormanganstählen bekannt, bei der eine aktive oder passive Gaszirkulation zur Vermeidung von Silberfärbung vorgeschlagen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Stahlblechbauteilen ohne Silberfärbung mit uniformem Emissionsgrad zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird eine Stahlblechplatine oder ein Stahlband verwendet, welche eine Beschichtung auf Basis von Zink aufweist.
Vorteilhafterweise kann diese Schicht eine Dicke von 5 pm bis 20 pm je Seite aufweisen. Dies kann einen guten Korrosionsschutz gewährleisten. Insbesondere kann die Beschichtung ein Z80 oder Z120 oder Z140 oder Z180 nach DIN EN 10346 sein.
Zinkbasierte Korrosionsschutzschichten können einen vergleichsweise hohen Zinkanteil von 85 Gew.-% bis 99 Gew.-% aufweisen und enthalten neben unvermeidbaren Verunreinigungen noch Aluminium im Bereich von 0,2 bis 2 Gew.-%. Des Weiteren können weitere sauerstoffaffine Elemente wie Magnesium enthalten sein. Besonders bevorzugt kann die metallische Korrosionsschutzschicht auf Basis von Zink mittels- Schmelztauchverfahren aufgebracht sein. Dieses kann ein einfaches und robustes Verfahren- zur Aufbringung darstellen.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass möglichst einheitliche Emissionsgrade und damit ein einheitliches Aufheiz- und Abkühlverhalten der Platinen bzw. Vorbauteile dann sichergestellt werden kann, wenn in einem bestimmten Temperaturbereich eine Heizrate gewählt wird, die unter einer kritischen Heizrate liegt.
Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass es alternativ oder zusätzlich sinnvoll ist, ab einer bestimmten Temperatur eine gewisse Sauerstoffsättigung an der Blechoberfläche sicherzustellen. Die erfindungsgemäße Lösung liegt somit in der Eliminierung der zur Silberfärbung führenden Faktoren.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Erwärmung in einem Temperaturbereich zwischen 420 °C und 530 °C nicht mit einer zu großen Aufheizrate durchzuführen. Dafür kann in Temperaturbereichen darunter und darüber die Heizrate erhöht werden, um die Verweildauer im Ofen und damit die Taktzeit nicht zu verlängern. Die Aufheizraten können daher über die Ofenverweilzeit variable Werte aufweisen erfolgen.
Insbesondere in einem Temperaturbereich oberhalb von 800 °C kann es vorteilhaft sein, die Ofenatmosphäre so einzustellen, dass zumindest 5 Vol.-% Sauerstoff zumindest an der Oberfläche der zu erhitzenden Bauteile vorhanden ist.
Erfindungsgemäß wird somit eine Heizrate zwischen 420 °C und 530 °C festgelegt, welche unter einem Grenzwert liegen soll, wobei für die Heizrate einer Stahlblechplatine oder eines Stahlblechvorbauteils in einem Ofen die Ofentemperatur, die Blechdicke, die Zinkschichtauflagendicke, der Beölungszustand und die Stahllegierung die wichtigsten Einflussgrößen sind. Insbesondere die Zinkschichtauflagendicke ist eine relevante Einflussgröße für die mögliche Aufheizrate. Bezüglich der Sauerstoffsättigung wurde festgestellt, dass der für die Zinkoxidation zur Verfügung stehende Sauerstoff insbesondere bei langen Produktionsintervallen durch verbrennendes Öl, Taupunkt, Wetterlage, neue Ofenelemente und durch die Stärke der Konvektion im Ofen beeinflusst wird.
Der Sauerstoffverbrauch durch verbrennendes Öl wird durch die Menge an Korrosionsschutzöl auf der Platinen- oder Vorbauteiloberfläche sowie, im Bedarfsfall, zusätzlich durch die Menge an vorhandenem Umformöl der Kaltumformung auf der Vorbauteiloberfläche beeinflusst.
Der Taupunkt wird insbesondere durch die Klimazone und die Anlagenumgebung bestimmt.
Die Wetterlage hat einen Einfluss durch Kamineffekte bzw. auch durch Verdrängung von Sauerstoff durch gasförmige Verbrennungsprodukte. Zudem konnte festgestellt werden, dass neue Ofenelemente, wie Edelstahl- oder Keramik- oder sonstige Dämm Werkstoffe, Sauerstoff verbrauchen bzw. binden können bzw. einen Einfluss auf die Sauerstoffsättigung haben.
Es wurde herausgefunden, dass die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre, insbesondere hinsichtlich des Sauerstoffanteils, lokal inhomogen sein kann.
Vorteilhafterweise kann mindestens 5 Vol.-% Sauerstoff oberflächennah ab einer Temperatur von 800 °C zur Verfügung gestellt werden. Oberflächennah bedeutet hierbei in einem Bereich näher als 10 mm zur Oberfläche der Platine oder des Vorbauteils.
Dies kann beispielsweise mittels Frischlufteinblasung erfolgen, wobei die Frischluft vorzugsweise entsprechend vorgeheizt wird. In Mehrlagenkammeröfen, d.h. ohne eine Transportbewegung der Platinen bzw. Vorbauteile während der Erwärmung wie sie in einem Durchlaufofen erfolgt, kann zudem Konvektion durch Spülen, Anströmen, Umwälzen oder zeitweiliges Öffnen von Ofentüren erzwungen werden.
Bezüglich der Heizrate zwischen insbesondere im Temperaturbereich zwischen 420 °C und 530 °C sind einige Betrachtungen nachfolgend notwendig. Beim Erwärmen schmilzt die Zinkschicht bei ca. 420 °C auf. Damit die gesamte Schichtdicke d in feste Zn-Fe-Phasen umgewandelt werden kann, muss für die Diffusion mindestens die Zeit t mit d2=D* t zur Verfügung stehen, wobei D der temperaturabhängige Diffusionskoeffizient, für den die Gestalt
_ o_ D = D0 * e RT mit der Aktivierungsenergie Q=271 kJ/Mol und der universellen Gaskonstanten R=8,31 J/Mol/K .
Um den Einfluss der Fe-Al-Hemmschicht zu berücksichtigen, wird die Schichtdicke d durch d+do ersetzt.
Beim Aufheizen von 420 °C auf 530 °C steigt also der Diffusionskoeffizient. Für Q=271 kJ/Mol steigt er etwa auf das 600-fache an. Für den dabei möglichen Diffusionsweg ist also der Temperatur-Zeit-Verlauf entscheidend und man muss diesen berücksichtigen, beispielsweise in der Form der temperaturabhängigen Heizrate r(T). Man kann dann eine dimensionslose Silbrigkeitszahl S wie folgt definieren: wobei Ti = 693 K, T2 = 803 K , d die Schichtdicke in Meter, b und do Konstanten mit b = 4,0 * 107 m2/s und d0 = 4,4 * 10“6 m Sind.
Diese Formel gilt nur für r(T > 0 im Temperaturbereich T± < T < T2, d.h. die Heizrate muss positiv sein, da das Blech erwärmt wird und der Temperaturbereich von 420 °C bis 530°C wie oben erläutert beschrieben wird. Man erhält also eine silbrige Oberfläche, falls die oben definierte Silbrigkeitszahl S für einen gegebenen Temperatur-Zeitverlauf kleiner als 1 ist.
Die Formel ergibt als Grenze zur Silberfärbung für die Zinkschicht Z140 (9,8 pm dick) zwischen 420 °C und 530 °C eine konstante Heizrate von 8,6 K/s und für Z180 (12,6 pm dick) 6 K/s als maximal möglich. Dies konnte experimentell verifiziert werden, sodass bei einer darunter liegenden Heizrate die Silbrigkeitszahl größer 1 ist und dies zu keiner Silberfärbung führte und bei einer darüber liegenden Heizrate im genannten Temperaturbereich es zu einer unerwünschten Silberfärbung kam.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Stahlblech, wobei aus einem ebenen warm- und kaltgewalzten und mit einer Beschichtung auf Basis von Zink beschichteten Stahlband eine Stahlblechplatine ausgeschnitten wird und die Stahlblechplatine zumindest teilbereichsweise entweder auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Presshärtewerkzeug in heißem Zustand umgeformt und abschreckgehärtet wird, oder die Stahlblechplatine zu einem Stahlblechvorbauteil kalt umgeformt wird und das Stahlblechvorbauteil zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Formhärtewerkzeug abschreckgehärtet wird, wobei die Erwärmung im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C, derart erfolgt, dass die Silbrigkeitszahl S größer 1 ist, wobei gilt: wobei r(T) die Aufheizrate in Kelvin pro Sekunde,
T die Temperatur in Kelvin, r(T) > 0 im Temperaturbereich 7^ < T < T2 und 7^ = 693 K, T2 = 803 K , d die Zinkschichtdicke in m, Konstante b = 4,0 * 107 m2 /s, Konstante d0 = 4,4 * 10“6 m,
Q die Aktivierungsenergie Q = 271 kJ/Mol und
R die universelle Gaskonstante R = 8,31 J/Mol/K ist und wobei die Erwärmung insbesondere im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C mit einer über die Ofenverweilzeit variablen und von der Zinkschichtdicke abhängigen Aufheizrate erfolgt. Die Erwärmung kann durch Strahlung oder Konvektion erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform kann sie durch Strahlung und Konvektion erfolgen.
Die Erwärmung durch Strahlung kann beispielsweise durch einen Infrarotstrahler bewerkstelligt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mit zunehmender Zinkauflagendicke t/die Heizrate r reduziert wird, sodass wenn dl < d2 < d3, die Heizrate derart eingestellt wird, dass r(dl) > r(d2) > r(d3).
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die mittlere Heizrate zwischen 420 °C und 530 °C für die Zinkauflage Z80 kleiner 15 K/s, für die Zinkauflage Z140 kleiner 8,6 K/s und für die Zinkauflage Z180 kleiner 6 K/s ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass für die Erwärmung oberhalb von 800 °C ein Sauerstoffgehalt in der Ofenatmosphäre in einem Bereich näher als 10 mm zur Oberfläche der Platine oder des Stahlvorbauteils von mindestens 5 Vol.-% gewährleistet wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Heizrate im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C, zwischen 3 K/s und 15 K/s und unter der jeweiligen kritischen Heizrate eingestellt wird, wobei die kritische Heizrate von der Dicke der Schicht auf der Basis von Zink abhängt und mit steigender Dicke kleiner wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass bei einem Durchlaufofen im Ofenbereich, der einer Platinen- oder Vorbauteiltemperatur von 420 bis 530 °C entspricht oder im Ofenbereich der einer Platinen- oder Vorbauteiltemperatur bis 530 °C entspricht die Ofenheizleistung derart verringert wird, dass die kritische Heizrate im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C nicht überschritten wird. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in den Bereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur kleiner 420 °C aufweist und/oder insbesondere in den Bereichen in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur von mehr als 530 °C aufweist, die Ofenheizleistung erhöht wird, um die Taktzeit möglichst gering zu halten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, der Ofenatmosphäre Frischluft, insbesondere vorgeheizte Frischluft oder Sauerstoff, zugeführt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, die vorhandene Ofenatmosphäre umgewälzt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in Erwärmungseinrichtungen, in denen die Platine oder das Stahl vorbauteil stationär aufgewärmt wird, wie beispielsweise Mehrlagen- kammeröfen, die Ofenheizleistung dauerhaft oder im zeitlichen Verlauf derart verringert wird, dass die kritische Heizrate im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C nicht überschritten wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Beschichtung auf Basis von Zink eine Schichtdicke von 5 pm bis 16 pm je Seite aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Beschichtung auf Basis von Zink mittels eines Schmelztauchverfahrens, insbesondere durch Feuerverzinken, aufgebracht wurde.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Stahlband aus einer härtbaren Stahllegierung, insbesondere einem Bor-Mangan-Stahl und besonders bevorzugt eines 22MnB5 oder 20MnB8 oder 34MnB5, gebildet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass als Stahlband ein Band mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%):
Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,15 bis 0,35 und Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 und
Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 und
Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 und
Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 und Nickel bis 0,9, vorzugsweise 0,01 bis 0,2 und
Titan bis 0,2 vorzugsweise 0,02 bis 0,1 und
Vanadin bis 0,2 und
Wolfram bis 0,2 und
Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 und Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 und
Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 und
Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01 und
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1: ein Blech mit der Abmessung von 15 x 20 cm mit silbriger Färbung nach Austenitisierung; Figur 2: das Blech nach Figur 1 in einer REM-Aufnahme;
Figur 3: ein Blech mit der Abmessung von 15 x 20 cm mit grünlicher Färbung nach
Austenitisierung;
Figur 4: das Blech nach Figur 3 in einer REM-Aufnahme;
Figur 5: die kritische Heizrate als Funktion der Zinkschichtauflagendicke;
Figur 6: eine Temperatur-Ofenort-Kurve eines Durchlaufofens mit konstanter Durchlaufgeschwindigkeit;
Figur 7: ein Diagramm zeigend die Silbrigkeitsgrenzen bei gegebenen Heizraten bei
420°C und 530°C mit dazwischen als linear angenommenem Verlauf und gegebenen Zinkschichtauflagendicken;
Figur 8: ein Diagramm zeigend zwei Heizratenverläufe mit und ohne Silberfärbung;
Figur 9: schematisch die Einflussnahme auf die Heizrate im Temperaturbereich von
420°C bis 530°C in einem Durchlaufofen (DLO);
Figur 10: schematisch die Einflussnahme auf die Heizrate im Temperaturbereich von 420°C bis 530°C in einer Kammer eines Mehrlagenkammerofens (MLK);
Figur 11: schematisch die Einflussnahme auf den oberflächennahen Sauerstoffgehalt ab einer Temperatur von 800 °C in einem Durchlaufofen (DLO);
Figur 12: schematisch die Einflussnahme auf den oberflächennahen Sauerstoffgehalt ab einer Temperatur von 800 °C in einer Kammer eines Mehrlagenkammerofens (MLK); Figur 13: einen Vergleich des konventionellen Verlaufs der Aufheizraten nach dem Stand der Technik zu einer möglichen erfindungsgemäßen Aufheizung;
Figur 14: zwei mögliche erfindungsgemäße Aufheizrouten mit unterschiedlichen Heizraten nach Erreichung von 530°C.
Zur optischen Verdeutlichung der bereits beschriebenen Unterschiede von Oberflächenfärbungen ist in Figur 1 ein Stahlblech dargestellt, welches mit Zink beschichtet wurde und nach Austenitisierung ein silbriges Aussehen hat und in Figur 3 ein entsprechendes Stahlblech, welches nach Austenitisierung ein grünliches Aussehen hat.
In den Figuren 2 und 4 sind die jeweils zugehörigen REM-Aufnahmen der Oberflächen dargestellt.
Wie bereits ausgeführt, können gehärtete Bauteile, welche eine Beschichtung auf Basis von Zink besitzen, derartige Silberfärbungen, wie in Figur 1 dargestellt, aufweisen. Die Wahrscheinlichkeit der Entstehung einer Silberfärbung steigt mit der Dicke der Zinkauflage.
Bauteile mit einer Silberfärbung entsprechend der Figuren 1 und 2 weisen eine verringerte bzw. nicht vollständig deckende Zinkoxidschicht über der vorhandenen Aluminiumoxidschicht auf bzw. besitzen größere Bereiche oder Flächenanteile ohne Zinkoxid.
Eine derartige Silberfärbung am Bauteil kann global, wie beispielsweise in Figur 1, oder auch nur lokal auftreten, wobei dies durch Schichtdickenschwankungen aber auch durch Unterschiede im Substrat verursacht sein kann. Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei der Silberfärbung um kein Problem, welches rein kosmetischer Natur ist. Zwar ist es Kundenwunsch, uniform erscheinende Bauteile zu erhalten, jedoch kann die schwankende Silberfärbung aufgrund des damit schwankenden Emissionsgrades zu schwankendem Aufheizverhalten im Ofen und zu schwankendem Abkühlverhalten zwischen Ofen und Presse führen, mit jeweils nachteiligen Konsequenzen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und/oder Bauteilqualität. Zudem konnte festgestellt werden, dass eine stark ausgeprägte Silberfärbung in Kombination mit einem gegebenenfalls nicht ausreichend durchgeführten Schleuderradstrahlen nachfolgend beim Lackieren zu Problemen führen kann.
Wie bereits ausgeführt, tritt die Silberfärbung, wie von den Erfindern herausgefunden wurde, dann ein, wenn die Heizrate in einem Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C eine bestimmte kritische Heizrate überschreitet. Oberhalb dieser mittleren kritischen Heizrate muss mit einer silbrigen Oberfläche gerechnet werden.
Wie ebenfalls bereits ausgeführt, hängt dies auch von der Dicke der Beschichtung auf Basis von Zink ab.
In Figur 5 ist die mittlere kritische Heizrate von 420 °C bis 530 °C in K/s gegen die Dicke der Schicht auf Basis von Zink in Mikrometern aufgetragen. Die mittlere Heizrate zwischen 420 °C und 530 °C kann aus einer Aufheizkurve bestimmt werden, indem die Temperaturdifferenz AO = 530 °C - 420 °C = 110 K durch die dafür benötigte Zeit At = t(530 °C) - 1(420 °C) dividiert wird. Die Kurve ist hierbei die Grenzlinie, oberhalb derer eine silbrige Erscheinungsform nicht ausgeschlossen werden kann bzw. mit dieser gerechnet werden muss, während unterhalb ein grünlich oder grünlich-bräunliches Oberflächenerscheinungsbild erreicht wird.
In Figur 6 ist die Temperaturkurve eines Stahlblechvorbauteiles oder einer Stahlblechplatine nicht nur wie üblich über der Ofenverweilzeit, sondern auch schematisch über die Länge eines Durchlaufofens mit konstanter Durchlaufgeschwindigkeit dargestellt. Dies ist bei Durch- lauföfen mit konstanter Durchlaufgeschwindigkeit zulässig, da sich die Ofenverweilzeit direkt proportional zur Ofenposition verhält. Im oberen Bereich von Figur 6 ist die Ofenlänge schematisch in vier Ofenbereiche aufgeteilt: einen Bereich A mit einem Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis 420 °C, einen Bereich B mit dem kritischen Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C, einen Bereich C mit 530 °C bis 800 °C und einen Bereich D oberhalb 800 °C bis zur gewünschten Endtemperatur.
Darunter ist die Temperaturkurve abhängig von der Ofenverweilzeit und der Ofenposition aufgetragen. Bei einem solchen Durchlaufofen ist es wichtig, dass die Heizrate der Platine bzw. des Vorbauteils im Bereich B, wie bereits ausgeführt, abhängig von der Dicke der Zinkschicht eine bestimmte Heizrate nicht überschreitet. Da jedoch in einem Ofen, insbesondere einem Durchlaufofen, die Taktzeiten nicht an einen Bereich festgemacht werden können, ohne den gesamten Verlauf in zeitlicher Hinsicht zu ändern, werden die Aufheizraten im Bereich A und insbesondere C, in dem sie unkritisch sind, entsprechend erhöht.
Im Bereich D können ab 800 °C erfindungsgemäß weitere Lösungen vorgesehen sein, nämlich, dass die Atmosphäre zumindest näher als 10 mm zur Oberfläche der Platine oder des Stahlvorbauteils so angepasst wird, dass der Sauerstoffgehalt oberhalb von 5 Vol.-% liegt.
Dies kann durch mehrere Maßnahmen gelingen. Einerseits kann Frischluft und insbesondere vorgeheizte Frischluft, in diesen Bereich eingeblasen werden, andererseits oder alternativ kann vorhandene Ofenatmosphäre ausreichend umgewälzt werden.
Somit ist es vorteilhaft, wenn die Heizrate in den Bereichen A, B, C und D variabel und flexibel eingestellt wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Heizrate in Abhängigkeit der Zinkschichtdicke bzw. Zinkauflagendicke variabel und flexibel eingestellt wird.
Die Heizrate, welche als r definiert wird, kann somit Werte ri im Bereich A, r2 im Bereich B, r3 im Bereich C und r4 im Bereich D aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ri > r2.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform ist r2 > r3.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ri > r2 > r3.
Mit zunehmender Zinkauflagendicke d, wird die Heizrate r variabel reduziert. Wenn dl < d2 < d3, dann wird die Heizrate so eingestellt, dass r(dl) > r(d2) > r(d3).
Während in Figur 5 die mittlere kritische Heizrate von 420 °C bis 530 °C über der Dicke der Zinkschicht dargestellt ist, zeigt Figur 7 ein Diagramm, bei dem die Silbrigkeitsgrenzkurven, oberhalb derer mit Silberfärbung gerechnet werden muss, als kritische Heizrate bei 530 °C in Abhängigkeit der Heizrate bei 420 °C mit angenommen linearem Verlauf zwischen 420 °C und 530 °C für verschiedene Zinkschichtdicken aufgetragen sind. Hierbei wird deutlich, dass die Silbrigkeitsgrenze zum einen von der Zinkschichtdicke und zum anderen auch vom Heizratenverlauf abhängig ist. Nimmt man zwischen den Temperaturen T± = 693 K und T2 = 803 K den Verlauf der Heizrate linear als r(T) = i + (r2 - an, so ergibt sich für ver schiedene Zinkschichtdicken aus der Formel für S die Graphik nach Figur 7 für die Silbrig- keitsgrenzen.
In Figur 8 sind zwei Heizraten über die Temperatur aufgeführt, wobei eine erste Heizrate bei etwa 10 K/s startet und eine klassische Heizrate darstellt, welche bis zur Endtemperatur abwärts verläuft.
Die zweite Heizrate startet bei etwa 5 K/s, wobei diese niedrigere Heizrate so lange beibehalten wird, bis die kritische Temperatur von 530 °C überschritten ist. Nachdem die Zinkeisenkristalle die Oberfläche erreicht haben, steigt die Heizrate stark an, um erst später wieder entsprechend der sich verringernden Temperaturdifferenz zwischen Probe und Ofen abzufallen.
In Figur 9 ist ein Durchlaufofen im Längs- und Querschnitt gezeigt, wobei Mantelstrahlrohre, welche zum Beispiel gasbeheizt sind, die Erhitzung vornehmen. In dem kritischen Bereich der Temperatur zwischen 420 °C und 530 °C und bei Bedarf auch in vorgelagerten Ofenbereichen, wird hierbei die Beheizung so durchgeführt, dass die kritische Heizrate nicht überschritten wird, während in den anderen Bereichen eine deutlich höhere Heizrate möglich ist.
In Figur 10 ist ein gleicher Heizverlauf für einen Mehrlagenkammerofen gezeigt, wobei hierbei die Ofentemperatur vorzugsweise konstant gehalten wird und gegebenenfalls eine Absenkung der Ofentemperatur dazu führt, dass der kritische Temperaturbereich mit einer entsprechend niedrigen Heizrate durchschritten wird. Eine über die Ofenverweilzeit veränderliche Ofentemperatur d.h. eine zu Beginn niedrige und ab 530 °C angehobene Ofentemperatur ist jedoch auch denkbar wie in der Figur rechts dargestellt. In Figur 11 ist gezeigt, wo in einem Durchlaufofen oberhalb einer Temperatur von 800 °C eine Atmosphäre mit über 5 Vol.-% Sauerstoff erzielt wird, dies auch eingetragen in dem Diagramm, zeigend den Temperaturverlauf der Platinen bzw. Vorbauteile im Ofen.
Figur 12 zeigt eine vergleichbare Kurve für einen Mehrlagenkammerofen.
In Figur 13 ist ein Vergleich des Verlaufs der Aufheizraten nach dem Stand der Technik zu einer möglichen erfindungsgemäßen Aufheizung am Beispiel jeweils mit Z180 beschichteten Platine dargestellt. Die strichlierte Linie zeigt eine mögliche Aufheizung nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik.
Da im kritischen Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C eine zu hohe Aufheizrate gewählt wurde, wird eine silbrige Oberflächenerscheinung erzielt. Dabei beträgt die Silbrigkeitszahl S = 0,8.
Rechts davon sieht man eine mögliche Variante einer erfindungsgemäßen Aufheizkurve und einer Silbrigkeitszahl von S = 1,2. Man erkennt, dass in dieser Ausführungsform beide Aufheizkurven zum selben Zeitpunkt, also etwa nach 210 sek, die Zieltemperatur von 905 °C erreichen. Jedoch wird durch die erfindungsgemäße Aufheizung eine einheitliche nicht-silbrige Oberflächenerscheinung erzielt, da durch die sich ändernde Steigung ab 530°C die erfolgte Durchreaktion der Zink-Eisen Kristalle bis an die Oberfläche angezeigt wird . Dies verhindert die Silberfärbung.
Dies macht deutlich, dass die korrekte Einstellung der Heizrate im kritischen Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C entscheidend für die Ausbildung oder eben Nicht-Ausbildung einer silbrigen Oberfläche ist.
Figur 14 zeigt zwei mögliche Varianten einer erfindungsgemäßen Einstellung von Heizraten an zwei mit Z180 beschichteten Platinen. Bei beiden Varianten wird der kritische Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C mit derselben, vergleichsweise geringen Heizrate durchlaufen. Damit wird eine Silberfärbung gesichert vermieden (die Silbrigkeitszahl beträgt hierbei jeweils etwa 1,2). Die linke Linie weist eine erhöhte Heizrate im Temperaturbereich über 530°C auf. Es wurde durch eine erhöhte Heizleistung in diesem Bereich die Ofenverweilzeit um etwa 50 sek verkürzt. Man kann gut erkennen, dass bei einer konstanten Heizleistung, welche durch die strichlierte Variante (rechts) dargestellt ist, zwar die Ofenverweilzeit sich verlängert, jedoch der Energieverbrauch und damit die CO2-Emissionen im Vergleich zur anderen Variante reduziert werden können.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass mit der erfindungsgemäßen Einstellung der Heizrate im kritischen Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C wiederholbare Ergebnisse bezüglich einer einheitlichen nicht-silbrigen Oberflächenerscheinung erzielt werden. Durch die variable Einstellung der Heizrate wird ein homogenes Aufheizverhalten im Ofen in Abhängigkeit der Zinkauflagendicke gewährleistet.
Durch die Möglichkeit, die Heizraten variabel einzustellen, können die Heizraten unterhalb von 420 °C und oberhalb von 530 °C erhöht werden, ohne das Risiko zu erhöhen, eine Silberfärbung zu verursachen. Dies verkürzt die Ofenverweilzeit, reduziert den Energiever- brauch und die COz-Emissionen. Insgesamt wird hierdurch die Verfahrenseffizienz signifikant erhöht.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Stahlblech, wobei aus einem ebenen warm- und kaltgewalzten und mit einer Beschichtung auf Basis von Zink beschichteten Stahlband eine Stahlblechplatine ausgeschnitten wird und die Stahlblechplatine zumindest teilbereichsweise entweder auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Presshärtewerkzeug in heißem Zustand umgeformt und abschreckgehärtet wird, oder die Stahlblechplatine zu einem Stahlblechvorbauteil kalt umgeformt wird und das Stahlblechvorbauteil zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Formhärtewerkzeug abschreckgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C, derart erfolgt, dass die Silbrigkeitszahl S größer 1 ist, wobei gilt: wobei r(T) die Aufheizrate in Kelvin pro Sekunde,
T die Temperatur in Kelvin, r(T) > 0 im Temperaturbereich 7^ < T < T2 und 7^ = 693 K, T2 = 803 K , d die Zinkschichtdicke in m, Konstante b = 4,0 * 107 m2 /s, Konstante d0 = 4,4 * 10“6 m,
Q die Aktivierungsenergie Q = 271 kJ/Mol und
R die universelle Gaskonstante R = 8,31 J/Mol/K ist und wobei die Erwärmung insbesondere im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C mit einer über die Ofenverweilzeit variablen und von der Zinkschichtdicke abhängigen Aufheizrate erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit zunehmender Zinkauflagendicke t/die Heizrate r reduziert wird, sodass wenn dl < d2 < d3, die Heizrate derart eingestellt wird, dass r(dl) > r(d2) > r(d3).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Heizrate zwischen 420 °C und 530 °C für die Zinkauflage Z80 kleiner 15 K/s, für die Zinkauflage Z140 kleiner 8,6 K/s und für die Zinkauflage Z180 kleiner 6 K/s ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass für die Erwärmung oberhalb von 800 °C ein Sauerstoffgehalt in der Ofenatmosphäre in einem Bereich näher als 10 mm zur Oberfläche der Platine oder des Stahlvorbauteils von mindestens 5 Vol.-% gewährleistet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrate im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C, zwischen 3 K/s und 15 K/s und unter der jeweiligen kritischen Heizrate eingestellt wird, wobei die kritische Heizrate von der Dicke der Schicht auf der Basis von Zink abhängt und mit steigender Dicke kleiner wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Durchlaufofen im Ofenbereich, der einer Platinen- oder Vorbauteiltemperatur von 420 bis 530 °C entspricht oder im Ofenbereich der einer Platinen- oder Vorbauteiltemperatur bis 530 °C entspricht die Ofenheizleistung derart verringert wird, dass die kritische Heizrate im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C nicht überschritten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur kleiner 420 °C aufweist und/oder insbesondere in den Bereichen in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur von mehr als 530 °C aufweist, die Ofenheizleistung erhöht wird, um die Taktzeit möglichst gering zu halten.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, der Ofenatmosphäre Frischluft, insbesondere vorgeheizte Frischluft oder Sauerstoff, zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, die vorhandene Ofenatmosphäre umgewälzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in Erwärmungseinrichtungen, in denen die Platine oder das Stahl vorbauteil stationär aufgewärmt wird, wie beispielsweise Mehrlagenkammeröfen, die Ofenheizleistung dauerhaft oder im zeitlichen Verlauf derart verringert wird, dass die kritische Heizrate im Temperaturbereich von 420 °C bis 530 °C nicht überschritten wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf Basis von Zink eine Schichtdicke von 5 pm bis 16 pm je Seite aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf Basis von Zink mittels eines Schmelztauchverfahrens, insbesondere durch Feuerverzinken, aufgebracht wurde.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband aus einer härtbaren Stahllegierung, insbesondere einem Bor-Man- gan-Stahl und besonders bevorzugt eines 22MnB5 oder 20MnB8 oder 34MnB5, gebildet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlband ein Band mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%):
Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,15 bis 0,35 und Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 und
Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 und
Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 und
Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 und Nickel bis 0,9, vorzugsweise 0,01 bis 0,2 und
Titan bis 0,2 vorzugsweise 0,02 bis 0,1 und
Vanadin bis 0,2 und
Wolfram bis 0,2 und
Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 und Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 und
Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 und
Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01 und
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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