WO2015149900A1 - Bauteil, insbesondere strukturbauteil für einen kraftwagen sowie verfahren zum herstellen eines bauteils - Google Patents

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zinc
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coating
manganese
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Peter Feuser
Regis Lallement
Robert Mayrhofer
Felix Raschke
Nicolas Stein
Albert Tidu
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Daimler Ag
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Definitions

  • Component in particular structural component for a motor vehicle and method for
  • the invention relates to a component, in particular a structural component, for a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing a component according to the preamble of patent claim 10.
  • the component has a base body formed from a hot-workable steel, which is provided at least in a partial area with a coating comprising a zinc-containing first layer and a second layer, wherein the first layer between the base body and the second layer is arranged.
  • a coating having at least two layers is also referred to as a coating system.
  • the main body is, for example, a thermoformable sheet metal, wherein the base body is formed, for example, of boron steel. As part of a hot forming of the base body is high together with the coating
  • Press-hardened components can be produced in a direct, ie one-step process.
  • platens of hot-workable steel are heated to a temperature above the austenitizing temperature and then reformed in a chilled tool and rapidly cooled.
  • the press-hardened components can be avoided by a two-stage transformation.
  • a conventional transformation takes place at room temperature, followed by a press hardening with a low degree of deformation.
  • thermoformable steel sheets known: in a first of these coating systems it is a hot dip galvanizing, wherein it is the second
  • Coating system is a fire aluminizing. This means that the steel of the body is either hot-dip galvanized or fire-aluminized.
  • Hot-dip galvanized or hot-dip aluminized steels are used, for example, in US Pat
  • Hot-dip galvanized steels offer good corrosion resistance due to the reduced electrochemical stress compared to the steel substrate (cathodic
  • Liquid zinc diffuses into grain boundaries of steel substrate, leading to mechanical and thermal stresses and to
  • Fire-aluminized steels have a good forming property in the single-stage
  • Object of the present invention is therefore to provide a component and a method of the type mentioned, in which the problems mentioned can be avoided. This object is achieved by a component having the features of
  • Patent claim 1 and solved by a method having the features of claim 10.
  • the second layer of cobalt (Co), manganese (Mn), zinc-cobalt (ZnCo), zinc Manganese (ZnMn) or another zinc alloy is formed.
  • the first layer has at least zinc (Zn).
  • the first layer is formed from substantially pure zinc.
  • the first layer has more than 99 weight percent (wt%) of zinc.
  • Heat treatment during the press-hardening of the component results in diffusion of manganese or cobalt (or other alloying constituent) into the first layer, creating a local diffusion layer which has better properties than a pure zinc layer.
  • zinc cobalt (ZnCo) and zinc manganese (ZnMn) have particularly high melting points compared to pure zinc coatings. In addition, can be stable
  • Corrosion products can be realized at a reduced dissolution rate and cathodic corrosion protection by the alloy of zinc in the second layer.
  • Corrosion protection can be greatly increased because manganese has a lower electrochemical potential than pure zinc.
  • the melting temperature of the local diffusion layer between the first and second layers may be increased by the
  • Alloy of zinc can be increased with manganese.
  • the melting temperature is about 740 ° C instead of 420 ° C.
  • the melting temperature can also be increased locally, which in particular a
  • Liquid metal embrittlement can be avoided or at least reduced.
  • the melting temperature increases from 420 ° C to about 840 ° C.
  • the second layer has a thickness of less than 7 ⁇ m.
  • Such low layer thicknesses have the advantage that on the one hand, the corrosion protection is just as good as in thicker layers, but the component can be joined due to the small thickness of the second layer substantially with all thermal joining methods. In particular, the thermal weldability of the component coated in this way is considerably improved.
  • the first layer is formed of pure zinc.
  • the first layer is formed of a zinc-aluminum alloy, wherein the weight proportion of aluminum on the zinc-aluminum alloy of the first layer is up to 2 percent.
  • the coating has at least one third layer arranged in overlap with the first layer and the second layer, which is formed as an oxidation or evaporation barrier layer or as a passivation of the second layer. It is preferably provided that the first layer and the second layer between the main body and the third layer are arranged.
  • the third layer is thus a cover layer, which is preferably applied directly to the second layer.
  • the coating is a coating system, for example, by a PVD (PVD - physical vapor deposition), a CVD method (CVD - Chemical Vapor Deposition - Chemical
  • Vapor deposition a dipping process, a slurry process, galvanic or electrolytic processes, and thermal spraying.
  • the coating material of the third layer for example, at least one oxide, nitride, sulfide, carbide, hydrate, silicate, chromate, molybdate, tungsten, vanadate, titanate, borate, carbonate, chloride, or phosphate compound of a base metal are used.
  • the use of alkaline earth metals, alkali metals, semimetals and transition metals is also conceivable.
  • the third layer can be realized if materials from the following group are used: zinc, manganese, magnesium, cobalt, aluminum, chromium (III), molybdenum, titanium, Tungsten, vanadium, boric oxide and zinc chromates, zinc molybdate, zinc tungstate, zinc vanadate, zinc titanate, zinc borate.
  • materials from the following group are used: zinc, manganese, magnesium, cobalt, aluminum, chromium (III), molybdenum, titanium, Tungsten, vanadium, boric oxide and zinc chromates, zinc molybdate, zinc tungstate, zinc vanadate, zinc titanate, zinc borate.
  • metal phosphates of metallic salt of phosphoric or diphosphoric acid with metals from the following group are particularly suitable as coating material for the third layer: Cu, Mo, Fe, Mn, Sb, Zn, Ti, Ni, Co, V , Mg, Bi, Be, Al, B, Ce, Ba, Sr, Na, K, Ge, Ga, Ca, Cr, In, Sn.
  • the applied materials of the third layer that is, the coating materials of the third layer have a melting point of at least 600 degrees Celsius, to avoid the oxidation and evaporation of lower layers.
  • the third layer are formed as a ceramic layer or coating.
  • the third layer as a ceramic coating with materials from the following group: MgAl 2 O 4 , TiAIN, TiAlO, CoO, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO 2 , MnO 2 , Mn 2 O 3 , CaO, Fe 2 0 3 , ZnO, SnO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , Cr 2 Q 3 . Thanks to the high melting point, these ceramic coatings also have very good properties for reducing the adhesion to the press tools for press hardening.
  • the invention is based on the idea or the knowledge that in hot-formed components, in particular in press-hardened components, in particular two oxidation phenomena can occur.
  • a first of these oxidation phenomena is effected, for example, on the vehicle by loading the component through an aqueous environment with salts.
  • the second oxidation phenomenon can occur during component production itself.
  • the second oxidation phenomenon is caused, for example, by an oxidizing environment during the heating phase of the press-hardening.
  • Corrosion protection layers are used as sacrificial anode.
  • a sacrificial anode has a lower electrochemical potential compared to exterior alloys.
  • an additional cover layer (third layer) may be used. This cover layer has a barrier to oxidation of the underlying layers (second layer and first layer) and suppresses the evaporation.
  • anti-corrosion coating systems for steel sheets have been chosen to be as inexpensive as possible. For cold-formed sheets, this may be justified. In hot forming, however, the cost, especially the material cost, plays a minor role, since the process of hot working is in itself so costly that additional costs for producing the coating are negligible. Therefore, when selecting coating systems for hot stamped sheet metal, the main objective is to achieve the best possible corrosion protection, even if the associated coating system is costly in terms of application and / or material costs. This goal can be realized in the component according to the invention.
  • the invention also includes a method in which it is provided according to the invention that the second layer of cobalt, manganese, zinc-cobalt, zinc-manganese or another zinc alloy and the first layer is formed at least from zinc temporally before hot working. This means that the base body, together with the coating, is hot-formed, in particular press-hardened.
  • the second layer of cobalt or manganese by means of a physical or chemical vapor deposition or an electrodeposition is applied.
  • cobalt and manganese have a relatively high melting point, this being 1768 K for cobalt and 1519 K for manganese. These metals can therefore not be applied liquid.
  • the second layer formed from manganese or cobalt can be applied in a particularly simple manner and with a small layer thickness by means of physical or chemical vapor deposition.
  • the corrosion protection is just as good as with thicker layers, whereby the component coated in this way can be joined particularly easily with all possible thermal joining methods.
  • the second layer may also be applied by means of an electrolytic process.
  • FIG. 1 is a fragmentary schematic sectional view through a component according to a first embodiment, which has a basic body formed of a steel, which is provided with a coating with two layers arranged in mutual overlap, wherein one of the layers of zinc and the other layer of cobalt , Manganese or a zinc alloy is formed; and
  • Fig. 2 is a schematic sectional view through the component according to a second
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of a generally designated 10 component according to a first embodiment.
  • the component is for example as
  • Structural component of a motor vehicle in particular a passenger car
  • the component 10 is, for example, a body component of the motor vehicle.
  • the component 10 has a main body 12, which is formed from a heat-transformable steel. As part of the production of the component 10, the base body 12 is hot-formed, in particular press-hardened.
  • the component 10 has a coating 1, which according to the first
  • a first layer 16 and a second layer 18 has.
  • the base body 12 is a steel substrate provided with the coating 14.
  • steel substrates for example, hardenable steels and deep drawing steels can be used, for example, manganese-boron steels and
  • microalloyed steels can be used.
  • the base body 12 is provided with the coating 14 at least in a partial area. Since the coating 14 comprises the two different layers 16 and 18, the coating 14 is a so-called "coating system".
  • the first layer 16 is disposed between the base body 12 and the second layer 18, wherein the first layer 16 is applied directly to the base body 12 and thus touches it.
  • the second layer 18 is disposed in register with the first layer 16 and applied directly to the first layer 16.
  • the first layer 16 is formed essentially of pure zinc.
  • the first layer 6 has, for example, more than 99% by weight of zinc, in particular before the hot working time.
  • the first layer 16 is formed of a zinc-aluminum alloy, in which case the weight fraction of aluminum on the zinc-aluminum alloy of the first layer 16 is up to 2 percent.
  • the second layer 18 is formed of ZnCo (zinc-cobalt), ZnMn (zinc-manganese) or other zinc alloy.
  • Coating system (coating 14), a cathodic corrosion protection can be realized. Furthermore, stable corrosion products can be realized at a reduced dissolution rate by the alloy of zinc in the second layer 18. In addition, liquid metal embrittlement and zinc evaporation in the second layer 18 can be reduced by the alloying of zinc due to the increased melting point of zinc. By means of the coating system can thus be realized both particularly advantageous mechanical properties of the component 10 while ensuring effective corrosion protection.
  • the second layer may be formed of cobalt or manganese.
  • the layer 8 formed of manganese or cobalt preferably has a thickness of less than 7 ⁇ m.
  • the coating 14 which comprises the zinc-comprising first layer 16 and the second layer 18, is applied at least in a partial region of the main body 12 formed from the hot-forming steel, and then thermoformed together with the coating 14.
  • the component 10 is produced by a direct, ie single-stage press hardening process.
  • the coating 14 is mounted on the base body 12.
  • the component 10 is at a temperature above the
  • the second layer may also be formed from cobalt or manganese.
  • the layer 18 formed from manganese or cobalt preferably has a thickness of less than 7 ⁇ m and is preferably applied by means of a physical or chemical vapor deposition. Because both cobalt and manganese have a relatively high melting point. Cobalt has a melting point of 768 ° K and manganese has a melting point of 1519 ° K. These metals can therefore not be applied liquid to the base 12. By means of a physical or chemical vapor deposition, both manganese and cobalt can be applied to the base body 12 in a particularly simple and reliable manner be applied. Another advantage of this is that particularly low layer thicknesses less than 7 m can be achieved.
  • the second layer may also be applied by means of an electrolytic process. Despite the low layer thicknesses, a reliable corrosion protection can be achieved, wherein
  • the component 10 coated in this way can be joined particularly easily with a thermal joining method.
  • the coating 14 achieves a cathodic corrosion protection of the component 10 and a better hot workability of the component 10 than with pure zinc coatings.
  • manganese or cobalt is diffused into the first layer 16 in the form of a local diffusion layer having better properties than a pure zinc layer.
  • the cathodic corrosion protection can be greatly increased because manganese has a lower electrochemical potential than pure zinc.
  • the melting temperature of the local diffusion layer between the first and second layers 16, 18 can be increased by the alloy of zinc with manganese. At a weight proportion of 23 percent manganese, the melting temperature increases from approx. 420 ° C to approx. 740 ° C compared to pure zinc.
  • the melting temperature can also be increased locally. At one percent by weight of cobalt, the
  • Liquid metal embrittlement avoided or at least reduced.
  • the second layer 18 is formed from manganese or cobalt results in very stable corrosion products with a low dissolution rate, which in particular improves the corrosion properties.
  • Fig. 2 shows the component according to a second embodiment.
  • Embodiment differs from the first embodiment in that the coating 14 (coating system) according to the third embodiment includes not only the layers 16 and 18 but also a third layer 20.
  • the third layer 20 is arranged in register with the layers 16, 18 and the main body 12 and applied directly to the second layer 8 in the present case.
  • the layers 16 and 18 are arranged between the main body 12 and the third layer 20.
  • the third Layer 20 is thus a cover layer by means of which the zinc evaporation and the zinc oxidation can be reduced.
  • the preparation of the coating system may - in addition to the already described above PVD method (PVD - Physical Vapor Deposition - Physical vapor deposition) and CVD method (CVD - Chemical Vapor Deposition - Chemical vapor deposition ) - by means of a dipping process, a slurry process, galvanic or electrolytic process and by thermal spraying.
  • the coating 14 represents a two- or three-stage coating system, which realizes the realization of particularly advantageous mechanical properties and at the same time the realization of a very good corrosion protection of hot-formed,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (10), insbesondere ein Strukturbauteil für einen Kraftwagen, mit einem aus einem warmumformbaren Stahl gebildete Grundkörper (12), welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung (14) versehen ist, die eine zumindest Zink aufweisende erste Schicht (16) und wenigstens eine in Überdeckung mit der ersten Schicht (16) angeordnete, zweite Schicht (18) aufweist, wobei die erste Schicht (16) zwischen dem Grundkörper (12) und der zweiten Schicht (18) angeordnet ist, und wobei die zweite Schicht (18) aus Kobalt oder Mangan oder Zink-Kobalt oder Zink- Mangan oder einer anderen Zink-Legierung gebildet ist.

Description

Bauteil, insbesondere Strukturbauteil für einen Kraftwagen sowie Verfahren zum
Herstellen eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Strukturbauteil, für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Ein solches Bauteil und ein solches Verfahren sind aus US 2012/01 18437 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Bauteil weist einen aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper auf, welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung versehen ist, die eine Zink aufweisende erste Schicht und ein zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht zwischen dem Grundkörper und der zweiten Schicht angeordnet ist. Üblicherweise wird eine wenigstens zwei Schichten aufweisende Beschichtung auch als Beschichtungssystem bezeichnet.
Bei dem Grundkörper handelt es sich beispielsweise um ein warmumformbares Blech, wobei der Grundkörper beispielsweise aus Borstahl gebildet ist. Im Rahmen einer Warmumformung wird der Grundkörper zusammen mit der Beschichtung hohen
Temperaturen ausgesetzt. Insbesondere im Automobilbereich werden zunehmend Bauteile aus pressgehärteten Stählen eingesetzt, da dadurch erhebliche
Gewichtseinsparungen erzielt werden können.
Pressgehärtete Bauteile können in einem direkten, also einstufigen Prozess hergestellt werden. Bei dieser Art von Herstellverfahren werden Platinen aus warmumformbarem Stahl auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt und dann in einem gekühlten Werkzeug umgeformt und schnell abgekühlt. Alternativ können die pressgehärteten Bauteile durch eine zweistufige Umformung vermieden werden. Hierbei erfolgt zunächst eine konventionelle Umformung bei Raumtemperatur, anschließend erfolgt ein Presshärten mit geringem Umformungsgrad.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind zwei Beschichtungssysteme für
warmumformbare Stahlbleche bekannt: bei einem ersten dieser Beschichtungssysteme handelt es sich um eine Feuerverzinkung, wobei es sich bei dem zweiten
Beschichtungssystem um eine Feueraluminierung handelt. Dies bedeutet, dass der Stahl des Grundkörpers entweder feuerverzinkt oder feueraluminiert ist. Derartige
feuerverzinkte oder feueraluminierte Stähle kommen beispielsweise in der
Serienproduktion von pressgehärteten Strukturbauteilen, insbesondere für Kraftwagen, zum Einsatz.
Feuerverzinkte Stähle bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit aufgrund der reduzierten elektrochemischen Spannung im Vergleich zum Stahlsubstrat (kathodischer
Korrosionsschutz). Allerdings entsteht während der Warmumformung bei hohen
Temperaturen eine Flüssigmetallversprödung. Flüssiges Zink diffundiert in Korngrenzen des Stahlsubstrats und führt mechanischen und thermischen Spannungen und zu
Rissbildung in dem Substrat. Dieses Phänomen kann durch eine zweistufige Umformung vermieden werden. Jedoch erfolgt während des Presshärtens eine Verdampfung der Zinkauflage, was einen Verlust von Korrosionsschutzmaterial bedeutet. Ferner erfolgt eine Oxidation der Zinkauflage. Als Konsequenz werden diese Bauteile nach dem
Umformprozess gereinigt oder gestrahlt, um beispielsweise Lackierarbeiten zu
ermöglichen. Die Diffusionsphänomene von Eisen in die Beschichtung, aufgrund der Prozesstemperaturen bei der Warmumformung, verursachen eine Erhöhung des Eisen- Anteils auf der Oberfläche und eine Reduzierung des kathodischen Schutzes. Dadurch tritt Rotrost auf der Bauteiloberfläche auf.
Feueraluminierte Stähle weisen eine gute Umformeigenschaft beim einstufigen
Presshärten ohne Flüssigmetallversprödung und ohne Rissbildung im Stahlsubstrat auf. Eine solche Beschichtung führt zu stabilen Korrosionsprodukten, und eine Reinigung des warmumgeformten Produkts ist nicht erforderlich. Jedoch ist bei dieser Art von
Beschichtung problematisch, dass eine Feueraluminierung keinen galvanischen Schutz bietet. Mit anderen Worten kann das Bauteil nicht durch das Prinzip der Opferanode vor Korrosion beschützt werden. Die Diffusionsphänomene von Eisen in die Beschichtung, aufgrund der Prozesstemperaturen bei der Warmumformung, verursachen eine Erhöhung des Eisen-Anteils auf der Oberfläche. Dadurch tritt auch hier Rotrost auf der
Bauteiloberfläche auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauteil und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchen die genannten Probleme vermieden werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Bauteil mit einem Beschichtungssystem zu schaffen, bei welchem die eingangs genannten Probleme vermieden werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Schicht aus Kobalt (Co), aus Mangan (Mn), aus Zink-Kobalt (ZnCo), aus Zink-Mangan (ZnMn) oder einer anderen Zink-Legierung gebildet ist. Die erste Schicht weist zumindest Zink (Zn). Vorzugsweise ist die erste Schicht aus im Wesentlichen reinem Zink gebildet. Darunter ist beispielsweise zu verstehen, dass die erste Schicht mehr als 99 Gewichtsprozent (Gew.-%) Zink aufweist. Durch die Verwendung von Zink (erste Schicht), insbesondere reinem Zink, oder einer zinklegierten Auflage in Form der ersten Schicht ist ein kathodischer Korrosionsschutz realisierbar. Bei der
Wärmebehandlung im Zuge des Presshärtens des Bauteils entsteht eine Diffusion von Mangan oder Cobalt (oder eines anderen Legierungsbestandteils) in die erste Schicht, wodurch eine lokale Diffusionsschicht entsteht, welche bessere Eigenschaften als eine reine Zinkschicht aufweist.
Durch eine Legierung von Zink mit Kobalt oder Mangan lässt sich eine Verminderung der Flüssigmetallversprödung und der Zink-Verdampfung in der zweiten Schicht realisieren, da Zink-Kobalt (ZnCo) und Zink-Mangan (ZnMn) besonders hohe Schmelzpunkte im Vergleich zu reinen Zinkauflagen aufweisen. Darüber hinaus können stabile
Korrosionsprodukte mit einer reduzierten Auflösungsgeschwindigkeit und ein kathodischer Korrosionsschutz durch die Legierung von Zink in der zweiten Schicht realisiert werden.
Durch die Diffusion von Mangan in die erste Schicht kann der kathodische
Korrosionsschutz stark erhöht werden, da Mangan ein niedrigeres elektrochemisches Potenzial als reines Zink aufweist. Außerdem kann die Schmelztemperatur von der lokalen Diffusionsschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht durch die
Legierung von Zink mit Mangan erhöht werden. Bei einem Gewichtsanteil von 23 Prozent Mangan statt bei reinem Zink beträgt die Schmelztemperatur ca. 740° C statt 420° C.
Bei der Diffusion von Kobalt in die erste Schicht während der Wärmebehandlung kann die Schmelztemperatur ebenfalls lokal erhöht werden, wodurch insbesondere eine
Flüssigmetallversprödung vermieden oder zumindest verringert werden kann. Bei einem Gewichtsanteil von 1 Prozent Kobalt statt bei reinem Zink erhöht sich die Schmelztemperatur von 420° C auf ca. 840° C.
Außerdem entstehen zudem durch die erfindungsgemäße Lösung sehr stabile
Korrosionsprodukte mit einer geringen Auflösungsgeschwindigkeit aufgrund der Legierung von Zink mit Mangan oder Cobalt. Dadurch werden die Korrosionsschutzeigenschaften des Bauteils erheblich verbessert.
Konventionelle Zinkauflagen führen beim einstufigen Presshärten aufgrund von thermischen und mechanischen Spannungen bei der Warmumformung zu Rissbildungen im Grundwerkstoff. Deswegen erfolgt das Presshärten bei dieser Art von Beschichtungen zweistufig. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann nun auch eine einstufige
Presshärtung des Bauteils erfolgen. Es wird also ein kathodischer Korrosionsschutz sowie eine verbesserte Warm umform barkeit erzielt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die zweite Schicht eine Dicke geringer als 7 μηη aufweist. Derartig geringe Schichtdicken haben den Vorteil, dass zum einen der Korrosionsschutz genauso gut ist wie bei dickeren Schichten, wobei jedoch das Bauteil aufgrund der geringen Dicke der zweiten Schicht im Wesentlichen mit allen thermischen Fügeverfahren gefügt werden kann. Insbesondere wird die thermische Schweißbarkeit des auf diese Weise beschichteten Bauteils erheblich verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Schicht aus reinem Zink ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die erste Schicht aus einer Zink-Aluminium-Legierung ausgebildet ist, wobei der Gewichtsanteil von Aluminium an der Zink-Aluminium-Legierung der ersten Schicht bis zu 2 Prozent beträgt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Beschichtung wenigstens eine in Überdeckung mit der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete, dritte Schicht auf, welche als Oxidations- oder Verdampfungssperrschicht oder als Passivierung der zweiten Schicht ausgebildet ist. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Schicht und die zweite Schicht zwischen dem Grundkörper und der dritten Schicht angeordnet sind. Die dritte Schicht ist somit eine Deckschicht, welche vorzugsweise direkt auf die zweite Schicht aufgebracht ist. Mittels dieser Deckschicht lässt sich eine
Verminderung der Zink-Verdampfung sowie der Zinkoxidation realisieren. Außerdem ist eine Reduzierung der Haftung von flüssigem Zinkmaterial aus der ersten Schicht auf den Presswerkzeugen zur Warmumformung, bzw. Presshärten, zu erwarten.
Die Beschichtung stellt ein Beschichtungssystem dar, das beispielsweise durch ein PVD- Verfahren (PVD - Physical Vapour Deposition - Physikalische Gasphasenabscheidung), ein CVD-Verfahren (CVD - Chemical Vapour Deposition - Chemische
Gasphasenabscheidung), ein Tauchverfahren, ein Slurry-Verfahren, galvanische oder elektrolytische Verfahren sowie durch thermisches Spritzen hergestellt werden kann.
Als Beschichtungswerkstoff der dritten Schicht kann beispielsweise wenigstens eine Oxid- , Nitrid-, Sulfid-, Carbid-, Hydrat-, Silicat-, Chromat-, Molybdat-, Wolfram-, Vanadat-, Titanat-, Borat-, Carbonat-, Chlorid- oder Phosphat-Verbindung eines unedlen Metalls zum Einsatz kommen. Hierbei ist ebenfalls die Verwendung von Erdalkalimetallen, Alkalimetallen, Halbmetallen sowie von Übergangsmetallen denkbar.
Es wurde gefunden, dass sich besonders vorteilhafte Eigenschaften der dritten Schicht realisieren lassen, wenn Materialien aus folgender Gruppe verwendet werden: Zink-, Mangan-, Magnesium-, Cobalt-, Aluminium-, Chrom- (III), Molybdän-, Titan-, Wolfram-, Vanadium-, Boroxid- sowie Zinkchromate, Zinkmolybdat, Zinkwolframat, Zinkvanadat, Zinktitanat, Zinkborat.
Darüber hinaus wurde gefunden, dass sich als Beschichtungswerkstoff für die dritte Schicht besonders gut Metallphosphate aus metallischem Salz der Phosphor- oder Diphosphorsäure mit Metallen aus folgender Gruppe eignen: Cu, Mo, Fe, Mn, Sb, Zn, Ti, Ni, Co, V, Mg, Bi, Be, AI, B, Ce, Ba, Sr, Na, K, Ge, Ga, Ca, Cr, In, Sn.
Zur Realisierung einer hohen thermischen Stabilität ist es vorteilhaft, wenn die
aufgebrachten Materialien der dritten Schicht, das heißt die Beschichtungswerkstoffe der dritten Schicht einen Schmelzpunkt von mindestens 600 Grad Celsius aufweisen, um die Oxidation sowie die Verdampfung von unteren Schichten zu vermeiden.
Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die dritte Schicht als keramische Schicht beziehungsweise Beschichtung ausgebildet sind.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die dritte Schicht als keramische Beschichtung mit Materialien aus folgender Gruppe auszugestalten: MgAI204, TiAIN, TiAlO, CoO, Si02, Al203, Mg02, Mn02, Mn203, CaO, Fe203, ZnO, Sn02, Ti02, Zr02, Cr2Q3. Dank des hohen Schmelzpunktes weisen diese keramischen Beschichtungen ebenfalls sehr gute Eigenschaften zur Reduzierung der Haftung an den Presswerkzeugen zum Presshärten auf.
Der Erfindung liegt die Idee beziehungsweise die Erkenntnis zugrunde, dass bei warmumgeformten Bauteilen, insbesondere bei pressgehärteten Bauteilen, insbesondere zwei Oxidationsphänomene auftreten können. Ein erstes dieser Oxidationsphänomene wird beispielsweise am Fahrzeug durch eine Belastung des Bauteils durch eine wässrige Umgebung mit Salzen bewirkt. Zum zweiten Oxidationsphänomen kann es bei der Bauteilherstellung selbst kommen. Das zweite Oxidationsphänomen wird beispielsweise durch eine oxidierende Umgebung während der Erwärmungsphase des Presshärtens bewirkt.
Um nun das erste Oxidationsphänomen zu vermeiden, können beispielsweise
Korrosionsschutzschichten als Opferanode verwendet werden. Eine Opferanode weist ein geringeres elektrochemisches Potential im Vergleich zu Außenlegierungen auf. Um beispielsweise das zweite Oxidationsphänomen zu vermeiden, kann eine zusätzliche Deckschicht (dritte Schicht) verwendet werden. Diese Deckschicht weist eine Sperre gegen Oxidation der darunter liegenden Schichten (zweite Schicht und erste Schicht) auf und unterdrückt die Verdampfung.
Herkömmlicherweise werden Antikorrosions-Beschichtungssysteme für Stahlbleche so gewählt, dass sie möglichst kostengünstig sind. Bei kaltumgeformten Blechen mag dies begründet sein. Beim Warmumformen jedoch spielen die Kosten, insbesondere die Materialkosten, eine untergeordnete Rolle, da das Verfahren des Warmumformens an sich so kostenintensiv ist, dass zusätzliche Kosten zum Herstellen der Beschichtung vernachlässigbar sind. Daher ist bei der Auswahl von Beschichtungssystemen für warmumgeformte Bleche das Hauptziel, einen möglichst guten Korrosionsschutz zu erreichen, auch wenn das zugehörige Beschichtungssystem in Bezug auf Applikation und/oder Materialkosten kostenintensiv ist. Dieses Ziel kann beim erfindungsgemäßen Bauteil realisiert werden.
Insbesondere die Verwendung einer ZnMn-Schicht oder einer ZnCo-Schicht,
insbesondere als zweite Schicht, kann eine besonders hohe Korrosionsschutzwirkung erzielt werden, denn ZnMn und ZnCo bilden stabile Korrosionsprodukte mit einer geringen Auflösungsgeschwindigkeit nach der Bildung von ZnCo und ZnMn intermetallischen Phasen, zusammen mit einem kathodischen Korrosionsschutz. Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren, bei welchem es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die zweite Schicht aus Kobalt, Mangan, Zink-Kobalt, Zink-Mangan oder einer anderen Zink-Legierung und die erste Schicht zumindest aus Zink zeitlich vor dem Warmumformen gebildet wird. Dies bedeutet, dass der Grundkörper zusammen mit der Beschichtung warm umgeformt, insbesondere pressgehärtet, wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die zweite Schicht aus Kobalt oder Mangan mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung oder eine elektrolytische Abscheidung aufgetragen wird. Im Unterschied zu Legierungen mit einem vergleichsweise hohen Zinkanteil und einer geringen Zumischung von Kobalt oder Mangan weisen Kobalt und Mangan einen relativ hohen Schmelzpunkt auf, wobei dieser bei Kobalt 1768 K und bei Mangan 1519 K beträgt. Diese Metalle können also nicht flüssig aufgetragen werden. Mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung kann die aus Mangan oder Kobalt ausgebildete zweite Schicht hingegen besonders einfach und mit einer geringen Schichtdicke aufgetragen werden. Trotz der geringen Schichtdicke besteht nach wie vor der Vorteil, dass der Korrosionsschutz genauso gut ist wie bei dickeren Schichten, wobei das auf diese Weise beschichtete Bauteil besonders einfach mit allen möglichen thermischen Fügeverfahren gefügt werden kann. Alternativ kann die zweite Schicht auch mittels eines elektrolytischen Verfahrens aufgetragen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht durch ein Bauteil gemäß einer ersten Ausführungsform, welches einen aus einem Stahl gebildeten Grundkörper aufweist, der mit einer Beschichtung mit zwei in gegenseitiger Überdeckung angeordneten Schichten versehen ist, wobei eine der Schichten aus Zink und die andere Schicht aus Kobalt, Mangan oder einer Zinklegierung gebildet ist; und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch das Bauteil gemäß einer zweiten
Ausführungsform, wobei die Beschichtung drei in gegenseitiger
Überdeckung angeordnete Schichten aufweist. In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Bauteil gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Bauteil ist beispielsweise als
Strukturbauteil eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens,
ausgebildet. Bei dem Bauteil 10 handelt es sich beispielsweise um ein Karosseriebauteil des Kraftwagens.
Das Bauteil 10 weist einen Grundkörper 12 auf, welcher aus einem warmumformbaren Stahl gebildet ist. Im Rahmen der Herstellung des Bauteils 10 wird der Grundkörper 12 warmumgeformt, insbesondere pressgehärtet. Der Grundkörper 12 beispielsweise als Stahlblech ausgebildet.
Das Bauteil 10 weist eine Beschichtung 1 auf, welche gemäß der ersten
Ausführungsform eine erste Schicht 16 und eine zweite Schicht 18 aufweist. Bei dem Grundkörper 12 handelt es sich um ein Stahlsubstrat, das mit der Beschichtung 14 versehen ist. Für derartige Stahlsubstrate können beispielsweise härtbare Stähle und Tiefziehstähle verwendet werden, wobei zum Beispiel Mangan-Bor-Stähle und
mikrolegierte Stähle Verwendung finden können. Der Grundkörper 12 ist zumindest in einem Teilbereich mit der Beschichtung 14 versehen. Da die Beschichtung 14 die zwei unterschiedlichen Schichten 16 und 18 umfasst, handelt es sich bei der Beschichtung 14 um ein sogenanntes„Beschichtungssystem".
Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass die erste Schicht 16 zwischen dem Grundkörper 12 und der zweiten Schicht 18 angeordnet ist, wobei die erste Schicht 16 direkt auf dem Grundkörper 12 aufgebracht ist und somit diesen berührt. Die zweite Schicht 18 ist in gegenseitiger Überdeckung mit der ersten Schicht 16 angeordnet und direkt auf die erste Schicht 16 aufgebracht.
Die erste Schicht 16 ist im Wesentlichen aus reinem Zink gebildet ist. Die erste Schicht 6 weist dabei zum Beispiel mehr als 99 Gewichtsprozent Zink auf, insbesondere zeitlich vor dem Warmumformen. Alternativ ist die erste Schicht 16 aus einer Zink-Aluminium- Legierung ausgebildet, wobei in diesem Fall der Gewichtsanteil von Aluminium an der Zink-Aluminium-Legierung der ersten Schicht 16 bis zu 2 Prozent beträgt. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die zweite Schicht 18 aus ZnCo (Zink-Kobalt), ZnMn (Zink-Mangan) oder einer anderen Zink-Legierung gebildet. Mittels des
Beschichtungssystems (Beschichtung 14) kann ein kathodischer Korrosionsschutz realisiert werden. Ferner lassen sich stabile Korrosionsprodukte mit einer reduzierten Auflösungsgeschwindigkeit durch die Legierung von Zink in der zweiten Schicht 18 realisieren. Außerdem kann die Flüssigmetallversprödung und die Zink-Verdampfung in der zweiten Schicht 18 durch die Legierung von Zink infolge des erhöhten Schmelzpunkts von Zink vermindert werden. Mittels des Beschichtungssystems lassen sich somit sowohl besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Bauteils 10 realisieren bei gleichzeitiger Gewährleistung eines effektiven Korrosionsschutzes.
Alternativ kann die zweite Schicht auch aus Kobalt oder Mangan gebildet sein. In diesem Fall weist die aus Mangan oder Cobalt ausgebildete Schicht 8 vorzugsweise eine Dicke geringer als 7 μιη auf.
Beim Herstellen des Bauteils 10 wird zumindest in einem Teilbereich des aus dem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörpers 12 die Beschichtung 14, die die Zink aufweisende erste Schicht 16 und die zweite Schicht 18 umfasst, aufgetragen und anschließend zusammen mit der Beschichtung 14 warmumgeformt. Vorzugsweise wird das Bauteil 10 durch einen direkten, also einstufigen Presshärtevorgang hergestellt. Dabei wird zuerst die Beschichtung 14 auf dem Grundkörper 12 angebracht.
Anschließend wird das Bauteil 10 auf eine Temperatur oberhalb der
Austenitisierungstemperatur erhitzt und dann in einem gekühlten Werkzeug umgeformt und schnell abgekühlt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Korrosionsschutzsystemen werden beim einstufigen Presshärten des Bauteils 10 aufgrund der Beschichtung 14 Rissbildungen im Grundkörpers 12 vermieden.
Alternativ zu der oben beschriebenen Ausgestaltung der zweiten Schicht aus ZnCo, ZnMb oder einer anderen Zn-Legierung kann die zweite Schicht auch aus Kobalt oder Mangan gebildet sein. In diesem Fall weist die aus Mangan oder Cobalt ausgebildete Schicht 18 vorzugsweise eine Dicke geringer als 7 μιτι auf und wird vorzugsweise mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung aufgetragen. Denn sowohl Kobalt als auch Mangan haben einen relativ hohen Schmelzpunkt. Cobalt weist einen Schmelzpunkt von 768° K und Mangan einen Schmelzpunkt 1519° K auf. Diese Metalle können also nicht flüssig auf dem Grundkörper 12 aufgetragen werden. Mittels einer physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung kann sowohl Mangan als auch Kobalt auf besonders einfache und zuverlässige Weise auf dem Grundkörper 12 aufgetragen werden. Ein weiterer Vorteil dabei liegt darin, dass besonders geringe Schichtdicken geringer als 7 m erzielt werden können. Alternativ kann die zweite Schicht auch mittels eines elektrolytischen Verfahrens aufgetragen werden. Trotz der geringen Schichtdicken kann ein zuverlässiger Korrosionsschutz erzielt werden, wobei
insbesondere wegen der geringen Schichtdicke das auf diese Art beschichtete Bauteil 10 besonders leicht mit einem thermischen Fügeverfahren gefügt werden kann.
Durch die Beschichtung 14 wird ein kathodischer Korrosionsschutz des Bauteils 10 und eine bessere Warmumformbarkeit des Bauteils 10 als bei reinen Zinkauflagen erzielt. Bei der Wärmebehandlung im Vorfeld des Presshärtens erfolgt eine Diffusion von Mangan oder Kobalt in die erste Schicht 16 in Form einer lokalen Diffusionsschicht, welche bessere Eigenschaften als eine reine Zinkschicht aufweist. Durch die Diffusion von Mangan in die erste Schicht 16 kann der kathodische Korrosionsschutz stark erhöht werden, da Mangan ein niedrigeres elektrochemisches Potenzial als reines Zink aufweist. Außerdem kann die Schmelztemperatur von der lokalen Diffusionsschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht 16, 18 durch die Legierung von Zink mit Mangan erhöht werden. Bei einem Gewichtsanteil von 23 Prozent Mangan erhöht sich gegenüber reinem Zink die Schmelztemperatur von ca. 420° C auf ca. 740° C.
Bei der Diffusion von Kobalt in die erste Schicht 16 während der Wärmebehandlung im Vorfeld eines Presshärtevorgangs kann die Schmelztemperatur ebenfalls lokal erhöht werden. Bei einem einprozentigen Gewichtsanteil von Kobalt steigt die
Schmelztemperatur gegenüber reinem Zink von ca. 420° C auf ca. 840° C. Darüber hinaus kann durch die Diffusion von Kobalt in die erste Schicht 16 eine
Flüssigmetallversprödung vermieden oder zumindest verringert werden.
Dadurch, dass die zweite Schicht 18 aus Mangan oder Cobalt ausgebildet ist, entstehen sehr stabile Korrosionsprodukte mit einer geringen Auflösungsgeschwindigkeit, wodurch insbesondere die Korrosionseigenschaften verbessert werden.
Fig. 2 zeigt das Bauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite
Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Beschichtung 14 (Beschichtungssystem) gemäß der dritten Ausführungsform nicht nur die Schichten 16 und 18, sondern auch eine dritte Schicht 20 umfasst. Die dritte Schicht 20 ist in Überdeckung mit den Schichten 16, 18 und dem Grundkörper 12 angeordnet und vorliegend direkt auf die zweite Schicht 8 aufgebracht. Dabei sind die Schichten 16 und 18 zwischen dem Grundkörper 12 und der dritten Schicht 20 angeordnet. Die dritte Schicht 20 ist somit eine Deckschicht, mittels welcher die Zink-Verdampfung sowie die Zinkoxidation vermindert werden kann. Darüber hinaus findet eine Reduzierung der Haftung von flüssigen Materialien von den unteren Schichten an den Presswerkzeugen zum Presshärten statt.
Die Herstellung des Beschichtungssystems, das heißt die Herstellung der Schichten 16, 18 und gegebenenfalls 20 kann - neben den bereits oben beschriebenen PVD-Verfahren (PVD - Physical Vapor Deposition - Physikalische Gasphasenabscheidung) und CVD- Verfahren (CVD - Chemical Vapor Deposition - Chemische Gasphasenabscheidung) - mittels eines Tauchverfahrens, eines Slurry-Verfahrens, galvanischer oder elektrolytischer Verfahren sowie durch thermisches Spritzen erfolgen.
Die Beschichtung 14 stellt ein zwei- oder dreistufiges Beschichtungssystem dar, das die Realisierung von besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften sowie gleichzeitig die Realisierung eines sehr guten Korrosionsschutzes von warmumgeformten,
insbesondere pressgehärteten, Bauteilen ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (10), insbesondere Strukturbauteil für einen Kraftwagen, mit einem aus
einem warmumformbaren Stahl gebildete Grundkörper (12), welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung (14) versehen ist, die eine zumindest Zink aufweisende erste Schicht (16) und wenigstens eine in Überdeckung mit der ersten Schicht (16) angeordnete, zweite Schicht (18) aufweist, wobei die erste Schicht (16) zwischen dem Grundkörper (12) und der zweiten Schicht (18) angeordnet ist.
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Schicht (18) aus Kobalt oder Mangan oder Zink-Kobalt oder Zink-Mangan oder einer anderen Zink-Legierung ausgebildet ist.
2. Bauteil (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Schicht (16) aus im Wesentlichen reinem Zink gebildet ist.
3. Bauteil (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Schicht ( 6) aus einer Zink-Aluminium-Legierung ausgebildet ist, wobei der Gewichtsanteil von Aluminium an der Zink-Aluminium-Legierung der ersten Schicht (16) bis zu 2 Prozent beträgt.
4. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Schicht (18) eine Dicke geringer als 7 μηη aufweist.
5. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung (14) wenigstens eine in Überdeckung mit der ersten Schicht (16) und der zweiten Schicht (18) angeordnete, dritte Schicht (20) aufweist, welche als Oxidations- oder Verdampfungssperrschicht oder als Passivierung der zweiten Schicht (18) ausgebildet ist.
6. Bauteil (10) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Schicht (16) und die zweite Schicht (18) zwischen dem Grundkörper (12) und der dritten Schicht (20) angeordnet sind.
7. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dritte Schicht (20) wenigstens eine Oxid-, Nitrid-, Sulfid-, Carbid-, Hydrat-, Silicat-, Chromat-, Molybdat-, Wolfram-, Vanadat-, Titanat-, Borat-, Carbonat-, Chlorid- oder Phosphat-Verbindung eines unedlen Metalls aufweist.
8. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dritte Schicht (20) wenigstens ein Metallphosphat aus metallischem Salz der Phosphor- oder Diphosphorsäure mit Metallen aus folgender Gruppe:
Cu, Mo, Fe, Mn, Sb, Zn, Ti, Ni, Co, V, Mg, Bi, Be, AI, B, Ce, Ba, Sr, Na, K, Ge, Ga,
Ca, Cr, In, Sn
aufweist.
9. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dritte Schicht (20) als keramische Beschichtung mit einem Material aus folgender Gruppe:
MgAI204 ,ΤΊΑΙΝ, TiAIO, CoO, Si02, AI203, Mg02, Mn02, Mn203, CaO, Fe203, ZnO, Sn02, ΤΊ02, Zr02, Cr203
ausgebildet ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10), bei welchem ein aus einem
warmumformbaren Stahl gebildeter Grundkörper (12) zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung (14), die eine zumindest Zink aufweisende erste Schicht (16) und wenigstens eine in Überdeckung mit der ersten Schicht (16) angeordnete, zweite Schicht (18) aufweist, versehen und anschließend zusammen mit der Beschichtung (14) warmumgeformt wird, wobei die erste Schicht (16) zwischen dem Grundkörper (12) und der zweiten Schicht (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Schicht (18) aus Kobalt oder Mangan oder Zink-Kobalt oder Zink-Mangan oder einer anderen Zink-Legierung und die erste Schicht (16) zeitlich vor dem Warmumformen gebildet wird
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Schicht (18) mittels einer physikalischen oder chemischen
Gasphasenabscheidung, oder mittels eines elektrolytischen Verfahrens,
aufgetragen wird.
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