WO2020120701A1 - Blechplatine zur herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten stahlblechbauteils sowie warmumformverfahren - Google Patents

Blechplatine zur herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten stahlblechbauteils sowie warmumformverfahren Download PDF

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WO2020120701A1
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sheet metal
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coating
copper layer
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Rolf Wagner
Manuel Otto
Marc Debeaux
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Volkswagen Aktiengesellschaft
Salzgitter Flachstahl Gmbh
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    • C25D5/50—After-treatment of electroplated surfaces by heat-treatment

Definitions

  • the invention relates to a sheet metal blank for producing a hot-formed
  • Hot-forming steels such as 22MnB5
  • the strengths of these hot-forming steels are currently being increased further, for example by increasing the carbon content and / or the boron content in the steel base material, up to 2000 MPa.
  • a coated sheet metal plate of the generic type is used as a starting material for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel component in one
  • Hot forming process in which the sheet metal blank is heat-treated in a heat treatment step to above the material-specific austenitizing temperature Ac3. This is followed by an insertion step in which the heat-treated sheet metal plate is placed in a forming tool. In a subsequent press hardening step, the sheet metal blank is hot formed and cooled to a removal temperature. In the final removal step, the sheet steel component manufactured in this way is removed from the opened forming tool.
  • the as yet untreated sheet metal plate has a hardenable steel as base material, in particular a tempering steel containing carbon, manganese and / or boron, which is coated on both sides with a metallic scale protection coating.
  • a hardenable steel in particular a tempering steel containing carbon, manganese and / or boron, which is coated on both sides with a metallic scale protection coating.
  • this is an AISi coating.
  • such an AISi coating favors in
  • Heat treatment step a hydrogen entry from the steam atmosphere in the
  • the hot forming process can be carried out with an uncoated sheet metal plate.
  • scaling ie an iron oxide layer
  • the scale layer still adhering to the sheet steel component has to be removed from the sheet steel component after the hot forming process, for example by blasting, in order to ensure that the component can be welded.
  • a coating material for protecting steel from scaling is known from DE 10 2005 059 614 A1.
  • DE 10 2015 118 869 A1 discloses a method for producing an anti-corrosion coating.
  • a hardened steel component with a corrosion protection layer is known from DE 20 2004 021 264 U1.
  • the object of the invention is to provide a sheet metal plate with a scale protection coating, but without a cathodic corrosion protection effect, for the production of a sheet steel component in a hot forming process, with which a simpler process sequence is possible compared to the prior art.
  • a scaling protection effect is achieved by means of the invention described in the claims, with only a small cathodic corrosion protection effect or without a cathodic effect
  • Scale protection coating formed as a copper layer on both sides of the sheet metal board.
  • the copper layer reacts with oxygen in the heat treatment step, which forms an electrically conductive copper oxide layer connected to the steel base material.
  • copper oxide layer In contrast to an iron oxide layer (scale layer), copper oxide layer is weldable. Therefore, the copper oxide layer can remain on the finished steel sheet component and does not have to be removed, so that a beam processing step is omitted.
  • the copper oxide layer can also act as a barrier layer, by means of which the introduction of hydrogen into the steel base material during the heat treatment step is prevented or at least reduced.
  • the melting point of the copper layer is around 1080 ° C much larger than the melting point of an AISi coating or that
  • Process temperature in the heat treatment furnace (approx. 930 ° C). Therefore, the copper layer remains in the solid phase during the heat treatment step without melting, thereby preventing contamination of the heat treatment furnace.
  • the finished sheet steel component is in one
  • Dry area is installed.
  • the copper layer of the sheet metal plate can have a layer thickness between 0.5 and 5 pm.
  • the copper layer can be applied to the sheet metal board in one layer.
  • the copper layer can be part of a multi-layer coating system in which the copper layer forms an inner layer which is covered by at least one further outer metallic cover layer.
  • the cover layer can be made of suitable metals, such as zinc,
  • the cover layer can be formed from metal mixtures and from oxides of metals / metal mixtures. It is particularly preferred if the coating system is constructed in exactly two layers from a copper layer and a zinc layer, it being possible in particular for the layer thicknesses of these two layers to be identical at 2 pm.
  • the copper layer can preferably be applied galvanically to the steel base material.
  • the copper layer can also be applied by means of plasma vapor deposition (PVD).
  • PVD plasma vapor deposition
  • the above cover layer can be applied, for example, galvanically or by PVD coating.
  • the invention is particularly useful in the manufacture of high strength or high strength
  • Sheet steel components are an advantage.
  • a conventional AISi coating would lead to an increased hydrogen input into the steel base material during the heat treatment step.
  • the supply of hydrogen to the sheet metal plate can be reliably prevented or reduced by providing the copper layer.
  • the strengths of higher-strength or ultra-high-strength sheet steel components are in a range from Rm> 1550MPa, preferably Rm> 1700MPa, in particular Rm> 1800MPa. 22MnB5, 34MnB5 or 36MnB5 is therefore particularly suitable as the steel base material.
  • the copper plate coated with copper can be used for indirect hot forming as well as for direct hot forming. With indirect
  • Hot forming a cutting and / or forming operation is carried out in a cold forming step before the heat treatment step and the press hardening step. With direct hot forming, however, there is no cold forming step before
  • roller contamination in the furnace no or reduced hydrogen entry into the sheet metal plate in the furnace; no tool contamination from scale during forming; very good behavior when forming in the tool; very good weldability, since the copper coating has very good electrical conductivity; inexpensive
  • Copper coating (similar to galvanizing, same process); Concept for entry into the strength class Rm 1800 to 2100 MPa; the higher strength results in a weight saving of up to 20% compared to the parts made of 22MnB5 with AISi coating.
  • the pure copper layer can in the heat treatment step (i.e.
  • the metal cover layer can be formed from any suitable metal, in particular aluminum, zinc, tin, magnesium, silicon, manganese or from specific alloys of the elements and oxides.
  • the metal cover layer is particularly preferably formed from zinc.
  • the material-rich copper layer in the two-layer coating system fulfills the following function: In the heat treatment step, the material-thick copper layer acts as a barrier layer, by means of which a hydrogen entry from the furnace atmosphere into the sheet metal steel substrate is reduced. However, tests have shown that the layer thickness of the thick copper layer must be dimensioned sufficiently thin so that after the
  • Heat treatment step ensures stable adherence of the copper oxide layer resulting from the copper layer to the sheet metal steel substrate.
  • the layer thickness of the material-thick copper layer is in a range between 2 pm and 20 pm, preferably between 2 pm and 10 pm.
  • the layer thickness of the material-thick copper layer is between 2pm and 5pm.
  • the main function of the weak metal cover layer is to provide a barrier effect in the heat treatment step so that less oxygen from the furnace atmosphere can react with the copper layer. In this way, the layer thickness of the copper oxide layer formed in the heat treatment step is prevented from becoming excessively large. Such an overly large one
  • Layer thickness would lead to flaking of the copper oxide layer.
  • the layer thickness of the metal cover layer must be sufficiently large.
  • the layer thickness of the weak metal covering layer is dimensioned sufficiently small that after the heat treatment step an almost complete diffusion of the
  • Coating material of the metal cover layer is done in the copper layer. This ensures that no disadvantageous metallic phase of the coating material (for example a metallic zinc phase) of the metal cover layer remains on the sheet metal blank.
  • material-weak metal cover layer is preferably in a range greater than 0.5pm and less than 5pm, in particular less than 3pm. An almost complete diffusion of the coating material of the metal cover layer is particularly with a reduced
  • the sheet metal steel substrate can be provided as a still uncoated, wound strip material (coil).
  • the wound strip material is subjected to a coating step in which the scale protection coating is applied to the sheet metal steel substrate.
  • the coating step can be carried out in two parts, with a first sub-step in which the copper layer is applied to the steel substrate and with a second sub-step in which the metal cover layer is applied to the copper layer.
  • the two-layer coated steel substrate is rewound and then cut to the sheet metal plate in a cutting station.
  • both the copper layer and the metal cover layer are still in the metallic phase.
  • the diffusion processes required for the blocking effect can only take place in the heat treatment step (austenitization step), in which the coating material of the metal cover layer diffuses almost completely into the copper layer.
  • a post-treatment process step can be carried out in a second process variant between the coating step and the heat treatment step.
  • the layer build-up is caused by the effect of heat
  • a post-diffusion can take place in the heat treatment step (austenitization step), in which the remaining coating material of the metal cover layer, which has not yet diffused, diffuses largely into the copper layer. Especially by providing both a pre-diffusion and a post-diffusion, it is ensured that the coating material of the metal cover layer diffuses largely into the copper layer, so that no disadvantageous metallic phase of the
  • Coating material for example a metallic zinc phase
  • Figure 1 is a system sketch, based on a process sequence for a direct
  • Hot forming for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel part is illustrated;
  • Figure 2 shows a material structure used for the hot forming process
  • Figure 3 shows a material structure of the finished, hot-formed
  • Figure 4 is a view corresponding to Figure 2 according to a second
  • FIG. 5 shows a system sketch for carrying out indirect hot forming
  • Figure 6 is a partial micrograph of a coated sheet metal plate with a two-layer
  • FIGS. 7 and 8 each show block circuit diagrams which are used to illustrate different process routes for producing a sheet steel component.
  • a press system is roughly sketched schematically in FIG. 1, on the basis of which the basic process sequence for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel part 7 is first explained.
  • the plant has a roller hearth furnace 1, a forming tool 3 for hot forming and press hardening, and a post-processing station 5 for performing, for example, cutting operations.
  • a sheet metal plate 6 provided for the hot forming process is conveyed by means of transfer devices 9 (indicated by arrows) in a process sequence first into the roller hearth furnace 1, then into the forming tool 3 and then into the post-processing station 5.
  • direct hot forming takes place, in which the as yet undeformed sheet metal plate 6 is conveyed directly from the roller hearth furnace 1 into the forming tool 3 in the hot state, without cold forming taking place in front of the forming tool 3.
  • direct hot forming process according to FIG. 1
  • undeformed sheet metal plate 6 is transferred from a hardenable steel into the roller hearth furnace 1 and there in a heat treatment phase to a process temperature above that tool-specific austenitizing temperature Ac3 of the sheet metal plate 6 is heated, which can be, for example, approximately 930 ° C.
  • the sheet metal plate 6 heated in this way is transferred in the hot state to the forming tool 3 and there with an insertion temperature into it
  • Forming tool 3 inserted.
  • the hot forming takes place in the forming tool 3 with simultaneous press hardening.
  • the sheet steel component 7 thus formed is after
  • Hot forming / press hardening removed from the forming tool 3 and in the
  • Post-processing station subjected to 5 cutting operations.
  • the material structure of the as yet untreated sheet metal plate 6 is shown in FIG.
  • the sheet metal plate 6 has a carbon, boron and / or manganese-containing tempering steel as the base material 10, which is coated on both sides with a copper layer 11, the layer thickness of which is between 0.5 and 5 ⁇ m.
  • the copper layer 11 acts in
  • Heat treatment step as a scale protection coating.
  • the copper layer 11 can act as a barrier layer, by means of which an excessively large hydrogen input from the furnace atmosphere into the steel base material 10 is avoided during the heat treatment.
  • the copper layer 11 reacts with oxygen in the roller hearth furnace 1, as a result of which an electrically conductive copper oxide layer 13 (FIG. 3) connected to the steel base material is formed.
  • an electrically conductive copper oxide layer 13 (FIG. 3) connected to the steel base material is formed.
  • the copper oxide layer 13 is weldable. Therefore, the copper oxide layer 13 can remain on the finished sheet steel component 7 and does not have to be removed.
  • the copper layer 11 has a layer thickness applied to the steel base material 10 in the range from 0.5 to 5 pm.
  • the steel sheet base material 10 can be a tempered steel with which a strength Rm> 1500MPa is achieved after the hot forming process.
  • the sheet metal plate 6 is no longer coated in one layer with exactly one copper layer 11 (as in FIG. 2), but rather is coated with a two-layer coating system 14 in which the copper layer 11 forms an inner layer that is covered by a zinc layer. Cover layer 16 is covered.
  • the layer thicknesses si, S2 of the two layers 11, 16 can be identical and can be, for example, 2 pm.
  • FIG. 5 a press system is outlined in a view corresponding to FIG. 1, by means of which an indirect hot forming can be carried out in contrast to FIG.
  • the roller hearth furnace 1 is preceded by a cold forming station 17, so that even before
  • Heat treatment step in the roller hearth furnace 1 a cold forming step can be carried out. Therefore, before the hot forming, the as yet undeformed sheet metal plate 6 is first cold formed in the cold forming station 17. The cold-formed sheet metal plate 6 is then transported into the roller hearth furnace 1 and to a process temperature above that
  • the post-processing station 5 may also be the variant
  • FIG. 6 shows a coated sheet metal plate 6 immediately after the coating step I (FIG. 7 or 8), the coating system 14 of which according to another
  • the coating system 14 has a two-layer structure, specifically with a copper layer 11 of high material thickness and a material-weak metal cover layer 16 of small layer thickness S2.
  • the layer thickness S2 of the weak metal covering layer 16 is in a range between 0.5 pm and 3 pm.
  • the material-thick copper layer 11 acts in the heat treatment step III (FIG. 7 or 8), that is to say in the roller hearth furnace 1, as a barrier layer by means of which hydrogen is introduced from the furnace atmosphere of the roller hearth furnace 1 is reduced in the steel substrate 10.
  • Hydrogen barrier effect is due to the increased layer thickness the copper layer 11 is sufficiently pronounced.
  • the copper layer 11 is still sufficiently thin in order to ensure a stable adhesion resulting from the heat treatment step III Ensure copper layer 11 resulting copper oxide layer 13.
  • the layer thickness S2 of the metal cover layer 16 according to the invention is sufficiently large to ensure an oxygen barrier effect in the heat treatment step III, so that less oxygen from the furnace atmosphere in the heat treatment step III can react with the copper layer 11. This prevents the
  • Heat treatment step INI forms a copper oxide layer 13 with an excessively large layer thickness, which would lead to flaking off.
  • the layer thickness S2 according to the invention of the metal cover layer 16 is still sufficiently small in order to
  • Heat treatment step III to ensure an almost complete diffusion of the coating material metal cover layer 16 into the copper layer 11.
  • a process route for producing a hot-formed and press-hardened sheet steel part 7 is explained below with reference to FIG. 7. Accordingly, a still uncoated steel substrate 10 is provided as a coil material.
  • the wound strip material is subjected to a coating step I, in which the copper layer 11 is applied to the steel substrate 10 in a first partial step, and the metal cover layer 16 (in particular zinc) is applied to the copper layer 11 in a second partial step.
  • a cutting step II in which the now coated strip material is cut to the sheet metal plate 6 in a cutting station.
  • the sheet metal plate 6 is subsequently fed to the hot forming process, which is illustrated in FIG. 6 by process steps III to VII. Accordingly, the sheet metal plate 6 is heat-treated in the heat treatment step III to above the austenitizing temperature Ac3, for example in a roller hearth furnace 1.
  • an insertion step IV in which the heat-treated sheet metal plate 6 is placed in the forming tool 3 in the hot state and centered therein.
  • a press hardening step V is carried out, in which the sheet metal plate 6 is hot-formed and cooled, to be precise with the formation of the sheet steel component 7
  • Sheet steel component 7 is cooled in the forming tool 3 to a removal temperature.
  • a component removal V is then carried out, in which the sheet steel component 7 is removed from the forming tool 3.
  • post-processing of the sheet steel component 7 takes place, for example a trimming or the like.
  • both the copper layer 11 and the metal cover layer 16 are present in the metallic phase.
  • a diffusion takes place only in the subsequent heat treatment step III, in which the coating material of the metal cover layer 16 diffuses almost completely into the copper layer 11.
  • FIG. 8 An alternative process control is shown in FIG. 8, the basic sequence of which corresponds to the process route shown in FIG. 7.
  • the coating step I is followed by a post-treatment step 1 a in terms of process technology.
  • the layer structure of copper layer 11 and of metal cover layer 16 is melted by the action of heat. This results in a pre-diffusion, in which the coating material of the metal cover layer 16 at least partially diffuses into the copper layer 11 and, if appropriate, the copper also partially diffuses into the sheet metal steel substrate to form the copper-iron diffusion layer.
  • a subsequent diffusion takes place in the subsequent heat treatment step III, in which the as yet undiffused residual coating material of the metal cover layer 16 diffuses further into the copper layer 11. In this way, an almost complete diffusion of the coating material of the metal cover layer 16 into the copper layer 11 is ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils (7) in einem Warmumformverfahren, bei dem die Blechplatine (6) in einem Wärmebehandlungsschritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, in einem Einlegeschritt die wärmebehandelte Blechplatine (6) in ein Umformwerkzeug (3) eingelegt wird, in einem Presshärteschritt die Blechplatine (6) warmumgeformt wird und abgekühlt wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils (7), das in einem Entnahmeschritt aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird, wobei die Blechplatine (6) als Grundwerkstoff (10) einen härtbaren Stahl mit einer beidseitigen metallischen Zunderschutzbeschichtung aufweist. Erfindungsgemäß ist die metallische Zunderschutzbeschichtung als eine Kupferschicht (11) ausgebildet. Die Kupferschicht (11) wandelt sich im Wärmebehandlungsschritt in eine elektrisch leitfähige, mit dem Stahl-Grundwerkstoff (10) verbundene Kupferoxidschicht (13) um.

Description

Beschreibung
Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils sowie Warmumformverfahren
Die Erfindung betrifft eine Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und
pressgehärteten Stahlblechbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein
Warmumformverfahren nach dem Anspruch 12.
Warmumformstähle, wie zum Beispiel 22MnB5, weisen nach dem Warmumformprozess ein nahezu vollständiges martensitisches Gefüge mit einer nominellen Zugfestigkeit Rm von 1500MPa auf. Aktuell werden die Festigkeiten dieser Warmumformstähle durch zum Beispiel eine Erhöhung des Kohlenstoffanteils und/oder des Boranteils im Stahl-Grundwerkstoff weiter bis auf 2000MPa gesteigert.
Eine gattungsgemäße beschichtete Blechplatine wird als Ausgangsmaterial zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechbauteils in einem
Warmumformverfahren verwendet, bei dem in einer Prozessabfolge die Blechplatine in einem Wärmebehandlungsschritt auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird. Anschließend folgt ein Einlegeschritt, bei dem die wärmebehandelte Blechplatine in ein Umformwerkzeug eingelegt wird. In einem nachfolgenden Presshärteschritt wird die Blechplatine warmumgeformt und auf eine Entnahmetemperatur abgekühlt. Im abschließenden Entnahmeschritt wird das so gefertigte Stahlblechbauteil aus dem geöffneten Umformwerkzeug entnommen.
Die noch unbehandelte Blechplatine weist als Grundwerkstoff einen härtbaren Stahl, insbesondere einen kohlenstoff-, mangan- und/oder borhaltigen Vergütungsstahl auf, der beidseitig mit einer metallischen Zunderschutzbeschichtung überzogen ist. Diese ist in gängiger Praxis eine AISi-Beschichtung. Eine solche AISi-Beschichtung begünstigt jedoch im
Wärmebehandlungsschritt einen Wasserstoff-Eintrag von der Dampfatmosphäre im
Wärmebehandlungsofen in den Stahl-Grundwerkstoff, wodurch speziell Warmumformblechteile höherer Festigkeit bei Belastung weniger duktil reagieren können. Zudem bildet die AISi- Beschichtung im Wärmebehandlungsschritt eine schmelzflüssige Phase, wodurch es insbesondere bei einem Rollenherdofen zu einer starken Verschmutzung der Transportrollen kommen kann. Um die obigen Nachteile der AISi-Beschichtung zu vermeiden, kann der Warmumformprozess mit einer unbeschichteten Blechplatine durchgeführt werden. In diesem Fall bildet sich jedoch im Wärmebehandlungsschritt eine Verzunderung (das heißt eine Eisenoxidschicht), die bei der Warmumformung im Umformwerkzeug abplatzt und somit das Umformwerkzeug verunreinigt. Zudem muss die noch am Stahlblechbauteil anhaftende Zunderschicht nach Abschluss des Warmumformprozesses aufwendig zum Beispiel durch Strahlbearbeitung vom Stahlblechbauteil entfernt werden, um eine Schweißbarkeit des Bauteils zu gewährleisten.
Aus der DE 10 2005 059 614 A1 ist ein Beschichtungsmaterial zum Schutz von Stahl vor Verzunderung bekannt. Aus der DE 10 2015 118 869 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Korrosionsschutzbeschichtung bekannt. Aus der DE 20 2004 021 264 U1 ist ein gehärtetes Stahlbauteil mit Korrosionsschutzschicht bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Blechplatine mit Zunderschutzbeschichtung, jedoch ohne kathodische Korrosionsschutzwirkung, zur Herstellung eines Stahlblechbauteils in einem Warmumformprozess bereitzustellen, mit der eine im Vergleich zum Stand der Technik einfachere Prozessabfolge ermöglicht ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 12 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. Mittels der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung wird eine Zunderschutzwirkung erzielt, und zwar mit nur geringer kathodischer Korrosionsschutzwirkung beziehungsweise ohne kathodische
Korrosionsschutzwirkung.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist die metallische
Zunderschutzbeschichtung als eine Kupferschicht beidseitig auf der Blechplatine ausgebildet. Die Kupferschicht reagiert im Wärmebehandlungsschritt mit Sauerstoff, wodurch sich eine elektrisch leitfähige, mit Stahl-Grundwerkstoff verbundene Kupferoxidschicht bildet. Die
Kupferoxidschicht ist im Gegensatz zu einer Eisenoxidschicht (Zunderschicht) schweißfähig. Von daher kann die Kupferoxidschicht am fertiggestellten Stahlblechbauteils verbleiben und muss nicht entfernt werden, so dass ein Strahlbearbeitungsschritt wegfällt.
Die Kupferoxidschicht kann zudem als eine Sperrschicht wirken, mittels der ein Wasserstoff- Eintrag während des Wärmebehandlungsschrittes in den Stahl-Grundwerkstoff verhindert oder zumindest reduziert wird. Zudem ist der Schmelzpunkt der Kupferschicht mit in etwa 1080°C wesentlich größer als der Schmelzpunkt einer AISi-Beschichtung beziehungsweise die
Prozesstemperatur im Wärmebehandlungsofen (ca. 930°C). Daher bleibt die Kupferschicht während des Wärmebehandlungsschrittes in fester Phase, ohne aufzuschmelzen, wodurch eine Verunreinigung des Wärmebehandlungsofens verhindert wird.
Um in der Einbaulage des Stahlblechbauteils eine unerwünschte Korrosion am Fahrzeug auszuschließen, ist es bevorzugt, wenn das fertiggestellte Stahlblechbauteil in einem
Trockenbereich verbaut ist.
In einer technischen Umsetzung kann die Kupferschicht der Blechplatine eine Schichtdicke zwischen 0,5 und 5pm aufweisen. Die Kupferschicht kann einlagig auf die Blechplatine aufgebracht sein. Alternativ dazu kann die Kupferschicht Bestandteil eines mehrlagigen Beschichtungssystem sein, bei dem die Kupferschicht eine innere Schicht bildet, die von zumindest einer weiteren äußeren metallischen Deckschicht überdeckt ist. In dem
Beschichtungssystem kann die Deckschicht aus geeigneten Metallen, etwa aus Zink,
Aluminium, Chrom, Magnesium, Titan oder dergleichen, gebildet sein. Alternativ kann die Deckschicht aus Metallgemischen sowie aus Oxiden von Metallen/Metallgemischen gebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Beschichtungssystem genau zweilagig aus einer Kupferschicht und einer Zinkschicht aufgebaut ist, wobei insbesondere die Schichtdicken dieser beiden Schichten identisch bei 2pm liegen können.
Die Kupferschicht kann bevorzugt galvanisch auf den Stahl-Grundwerkstoff aufgebracht werden. Alternativ dazu kann die Kupferschicht auch mittels Plasma-Vapour-Deposition (PVD) aufgebracht werden. Die obige Deckschicht kann beispielhaft galvanisch oder durch PVD- Beschichtung aufgetragen werden.
Die Erfindung ist insbesondere bei der Herstellung von höherfesten oder höchstfesten
Stahlblechbauteilen von Vorteil. In diesem Fall würde eine herkömmliche AISi-Beschichtung während des Wärmebehandlungsschrittes zu einem erhöhten Wasserstoff-Eintrag in den Stahl- Grundwerkstoff führen. Demgegenüber kann durch Bereitstellung der Kupferschicht der Wasserstoff-Eintrag in die Blechplatine zuverlässig verhindert beziehungsweise reduziert werden. Die Festigkeiten von höherfesten beziehungsweise höchstfesten Stahlblechbauteilen liegen in einem Bereich von Rm > 1550MPa, bevorzugt Rm > 1700MPa, insbesondere Rm > 1800MPa. Als Stahl-Grundwerkstoff eignet sich daher insbesondere 22MnB5, 34MnB5 oder 36MnB5. Die mit Kupfer beschichtete Blechplatine kann sowohl bei einer indirekten Warmumformung als auch bei einer direkten Warmumformung eingesetzt werden. Bei der indirekten
Warmumformung wird eine Schneid- und/oder Umformoperation in einem Kaltumformschritt bereits vor dem Wärmebehandlungsschritt und dem Presshärteschritt durchgeführt. Bei der direkten Warmumformung erfolgt dagegen kein Kaltumformschritt vor dem
Wärmebehandlungsschritt/Presshärteschritt.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung stichpunktartig die folgenden Vorteile:
Vermeidung von Zunderbildung im Ofen; kurze Verweilzeit im Ofen mit entsprechend höherer Ausbringung; keine Schutzgasatmosphäre im Ofen notwendig, keine Taupunkt-Regelung im Ofen notwendig; keine nachträgliche Wärmebehandlung im Ofen notwendig; keine
Rollenverschmutzung im Ofen; kein beziehungsweise ein reduzierter Wasserstoff-Eintrag in die Blechplatine im Ofen; keine Werkzeugverschmutzung durch Zunder beim Umformen; sehr gutes Verhalten beim Umformen im Werkzeug; sehr gute Schweißbarkeit, da die Kupfer- Beschichtung sehr gute elektrische Leiteigenschaften aufweist; preisgünstige
Kupferbeschichtung (ähnlich wie galvanische Verzinkung, gleicher Prozess); Konzept für den Einstieg in die Festigkeitsklasse Rm 1800 bis 2100 MPa; durch höhere Festigkeit ergeben sich bis zu 20% Gewichtseinsparung gegenüber den Teilen aus 22MnB5 mit AISi-Beschichtung.
Bei einer Kupferschicht ohne zusätzlicher Metall-Deckschicht ergibt sich die folgende
Problematik: Die reine Kupferschicht kann im Wärmebehandlungsschritt (d.h.
Austenitisierungsschritt) im Rollenherdofen derart stark mit dem Sauerstoff aus der
Ofenatmosphäre reagieren, dass die sich bildende Kupferoxidschicht in ihrer Schichtdicke zu groß wird. Aufgrund der übermäßig großen Schichtdicke kann keine stabile Anhaftung der Kupferoxidschicht am Blechplatinen-Stahlsubstrat gewährleistet werden und kann es zu einem Abplatzen der Kupferoxidschicht kommen, wodurch kein einwandfreier Verzunderungsschutz gewährleistet ist.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Verzunderungsschutz-Wirkung ohne kathodische
Korrosionsschutzwirkung hat sich ein zweilagiges Beschichtungssystem mit einer
materialstarken Kupferschicht hoher Schichtdicke und einer materialschwachen Metall- Deckschicht mit geringer Schichtdicke als vorteilhaft erwiesen. Die Metall-Deckschicht kann aus jeglichem geeigneten Metall gebildet sein, insbesondere Aluminium, Zink, Zinn, Magnesium, Silizium, Mangan oder aus spezifischen Legierungen der Elemente sowie Oxide. Besonders bevorzugt ist die Metall-Deckschicht aus Zink gebildet. Die material starke Kupferschicht in dem zweilagigen Beschichtungssystem erfüllt die folgenden Funktion: So wirkt die materialstarke Kupferschicht im Wärmebehandlungsschritt als eine Sperrschicht, mittels der ein Wasserstoff-Eintrag aus der Ofenatmosphäre in das Blechplatinen- Stahlsubstrat reduziert ist. Allerdings hat sich in Versuchen gezeigt, dass die Schichtdicke der materialstarken Kupferschicht ausreichend dünn bemessen sein muss, damit nach dem
Wärmebehandlungsschritt eine stabile Anhaftung der sich aus der Kupferschicht ergebenden Kupferoxidschicht am Blechplatinen-Stahlsubstrat gewährleistet ist. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die Schichtdicke der materialstarken Kupferschicht in einen Bereich zwischen 2pm und 20pm, bevorzugt zwischen 2pm und 10pm, liegt. Im Hinblick auf eine besonders stabile Anhaftung der Kupferoxid Schicht liegt die Schichtdicke der materialstarken Kupferschicht zwischen 2pm und 5pm.
Bei der Auslegung der Schichtdicke der materialschwachen Metall-Deckschicht sind folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen: Die Hauptfunktion der materialschwachen Metall- Deckschicht besteht darin, im Wärmebehandlungsschritt eine Sperrwirkung bereitzustellen, damit weniger Sauerstoff aus der Ofenatmosphäre mit der Kupferschicht reagieren kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Schichtdicke der im Wärmebehandlungsschritt entstehenden Kupferoxidschicht übermäßig groß wird. Eine solche übermäßig große
Schichtdicke würde zu einem Abplatzen der Kupferoxidschicht führen. Um die Sperrwirkung zu erfüllen, muss die Schichtdicke der Metall-Deckschicht ausreichend groß bemessen sein.
Erfindungsgemäß wurde zudem erkannt, dass eine nach dem Wärmebehandlungsschritt auf der Blechplatine verbleibende metallische Phase des Beschichtungsmaterials der Metall- Deckschicht für die Warmumformung nachteilig ist. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die Schichtdicke der materialschwachen Metall-Deckschicht ausreichend klein bemessen ist, dass nach dem Wärmebehandlungsschritt eine nahezu vollständige Diffusion des
Beschichtungsmaterials der Metall-Deckschicht in die Kupferschicht erfolgt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass keine nachteilige metallische Phase des Beschichtungsmaterials (zum Beispiel eine metallische Zink-Phase) der Metall-Deckschicht auf der Blechplatine verbleibt.
Vor diesem Hintergrund ist es besonders bevorzugt, wenn die Schichtdicke der
materialschwachen Metall-Deckschicht bevorzugt in einem Bereich größer als 0,5pm sowie kleiner als 5pm, insbesondere kleiner als 3pm liegt. Eine nahezu vollständige Diffusion des Beschichtungsmaterials der Metall-Deckschicht ist insbesondere bei einer reduzierten
Schichtdicke von kleiner als 3pm, insbesondere kleiner als 2pm, gewährleistet. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Blechplatinen-Stahlsubstrat als noch unbeschichtetes, aufgewickeltes Bandmaterial (Coil) bereitgestellt sein. Vor dem eigentlichen Warmumformprozess wird das aufgewickelte Bandmaterial einem Beschichtungsschritt unterworfen, in dem die Zunderschutzbeschichtung auf das Blechplatinen-Stahlsubstrat aufgebracht wird. Der Beschichtungsschritt kann zweiteilig durchgeführt werden, und zwar mit einem ersten Teilschritt, in dem die Kupferschicht auf das Stahlsubstrat aufgebracht wird, und mit einem zweiten Teilschritt, in dem die Metall-Deckschicht auf die Kupferschicht aufgebracht wird. Das zweilagig beschichtete Stahlsubstrat wird wieder aufgewickelt und anschließend in einer Schneidstation zu der Blechplatine zugeschnitten.
Es ist hervorzuheben, dass nach dem Beschichtungsschritt sowohl die Kupferschicht als auch die Metall-Deckschicht noch in metallischer Phase vorliegen. Die für die Sperrwirkung erforderlichen Diffusionsvorgänge können in einer ersten Prozess-Variante ausschließlich im Wärmebehandlungsschritt (Austenitisierungsschritt) erfolgen, in dem das Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht nahezu vollständig in die Kupferschicht eindiffundiert.
Alternativ dazu kann in einer zweiten Prozess-Variante zwischen dem Beschichtungsschritt und dem Wärmebehandlungsschritt ein Nachbehandlungs-Prozessschritt durchgeführt werden. Im Nachbehandlungs-Prozessschritt wird durch Wärmeeinwirkung der Schichtaufbau aus
Kupferschicht und aus Metall-Deckschicht aufgeschmolzen. Dadurch erfolgt eine Vordiffusion, bei der das Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht zumindest teilweise in die
Kupferschicht eindiffundiert.
Im prozesstechnisch nachgeschalteten Wärmebehandlungsschritt (Austenitisierungsschritt) kann eine Nachdiffusion erfolgen, bei der das noch nicht eindiffundierte Rest- Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht weitgehend in die Kupferschicht eindiffundiert. Speziell durch Bereitstellung von sowohl einer Vordiffusion als auch einer Nachdiffusion wird sichergestellt, dass das Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht weitgehend in die Kupferschicht eindiffundiert, so dass keine nachteilige metallische Phase des
Beschichtungsmaterials (zum Beispiel eine metallische Zink-Phase) auf der Blechplatine verbleibt.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen: Figur 1 eine Anlagenskizze, anhand der eine Prozessabfolge für eine direkte
Warmumformung zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils veranschaulicht ist;
Figur 2 ein Materialaufbau einer für den Warmumformprozess verwendeten
Blechplatine;
Figur 3 ein Materialaufbau des fertiggestellten, warmumgeformten sowie
pressgehärteten Stahlblechteils;
Figur 4 eine Ansicht entsprechend der Figur 2 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel;
Figur 5 eine Anlageskizze zur Durchführung einer indirekten Warmumformung;
Figur 6 ein Teil-Schliffbild einer beschichteten Blechplatine mit einer zweilagigen
Zunderschutzbeschichtung unmittelbar nach dem Beschichtungsschritt;
Figuren 7 und 8 jeweils Blockschaltdiagramme, anhand derer unterschiedliche Prozessrouten zur Herstellung eines Stahlblechbauteils veranschaulicht sind.
In der Figur 1 ist grob schematisch eine Pressenanlage skizziert, anhand der zunächst die grundsätzliche Prozessabfolge zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils 7 erläutert ist. Die Anlage weist als eine Wärmebehandlungseinrichtung einen Rollenherdofen 1 , ein Umformwerkzeug 3 zur Warmumformung und Presshärtung sowie eine Nachbearbeitungsstation 5 zur Durchführung von zum Beispiel Schneidoperationen auf. Eine für den Warmumformprozess bereitgestellte Blechplatine 6 wird mittels Transfereinrichtungen 9 (durch Pfeile angedeutet) in einer Prozessabfolge zunächst in den Rollenherdofen 1 , anschließend in das Umformwerkzeug 3 und dann in die Nachbearbeitungsstation 5 gefördert.
In der in der Figur 1 angedeuteten Pressenanlage erfolgt eine direkte Warmumformung, bei der die noch unverformte Blechplatine 6 direkt vom Rollenherdofen 1 im Heißzustand in das Umformwerkzeug 3 gefördert wird, ohne dass vor dem Umformwerkzeug 3 eine Kaltumformung erfolgt. Im direkten Warmumformprozess gemäß der Figur 1 wird die zunächst noch
unverformte Blechplatine 6 aus einem härtbaren Stahl in den Rollenherdhofen 1 transferiert und dort in einer Wärmebehandlungsphase auf eine Prozesstemperatur oberhalb der werkzeugspezifischen Austenitisierungstemperatur Ac3 der Blechplatine 6 erwärmt, die beispielhaft bei ca. 930°C liegen kann. Die so erwärmte Blechplatine 6 wird im Heißzustand zum Umformwerkzeug 3 transferiert und dort mit einer Einlegetemperatur in das
Umformwerkzeug 3 eingelegt. Im Umformwerkzeug 3 erfolgt die Warmumformung bei gleichzeitiger Presshärtung. Das so gebildete Stahlblechbauteil 7 wird nach erfolgter
Warmumformung/Presshärtung aus dem Umformwerkzeug 3 entnommen und in der
Nachbearbeitungsstation 5 Schneidoperationen unterworfen.
In der Figur 2 ist der Materialaufbau der noch unbehandelten Blechplatine 6 dargestellt.
Demzufolge weist die Blechplatine 6 als Grundwerkstoff 10 einen kohlenstoff-, bor- und/oder manganhaltigen Vergütungsstahl auf, der beidseitig mit einer Kupferschicht 11 überzogen ist, deren Schichtdicke zwischen 0,5 und 5pm liegt. Die Kupferschicht 11 wirkt im
Wärmebehandlungsschritt als eine Zunderschutzbeschichtung. Zudem kann die Kupferschicht 11 als eine Sperrschicht wirken, mittels der während der Wärmebehandlung ein übermäßig großer Wasserstoff-Eintrag von der Ofen-Atmosphäre in den Stahl-Grundwerkstoff 10 vermieden ist.
Die Kupferschicht 11 reagiert im Rollenherdofen 1 mit Sauerstoff, wodurch sich eine elektrisch leitfähige, mit Stahl-Grundwerkstoff verbundene Kupferoxidschicht 13 (Figur 3) bildet. Die Kupferoxidschicht 13 ist im Gegensatz zu einer Eisenoxidschicht (Zunderschicht) schweißfähig. Von daher kann die Kupferoxidschicht 13 am fertiggestellten Stahlblechbauteil 7 verbleiben und muss nicht entfernt werden.
Wie aus der Figur 2 weiter hervorgeht, wird die Kupferschicht 11 mit einer Schichtdicke
Figure imgf000010_0001
im Bereich von 0,5 bis 5pm auf den Stahl-Grundwerkstoff 10 appliziert. Der Stahlblech- Grundwerkstoff 10 kann ein Vergütungsstahl sein, mit dem nach dem Warmumformprozess eine Festigkeit Rm > 1500MPa erzielt wird.
In der Figur 3 ist der Materialaufbau des warmumgeformten und pressgehärteten
Stahlblechbauteils 7 gezeigt. Demnach ist die bereits oben erwähnte Kupferoxidschicht 13 unter Zwischenlage einer ebenfalls im Wärmebehandlungsschritt gebildeten Kupfer-Eisen- Diffusionsschicht 15 in fester Verbindung mit dem Stahl-Grundwerkstoff 10.
In der Figur 4 ist die Blechplatine 6 nicht mehr einlagig mit genau einer Kupferschicht 11 beschichtet (wie in der Figur 2), sondern vielmehr mit einem zweilagigen Beschichtungssystem 14 beschichtet, bei dem die Kupferschicht 11 eine innere Schicht bildet, die von einer Zink- Deckschicht 16 überdeckt ist. Die Schichtdicken si, S2 der beiden Schichten 11 , 16 können identisch sein und z.B. bei 2pm liegen.
In der Figur 5 ist in einer Ansicht entsprechend der Figur 1 eine Pressenanlage skizziert, mittels der in Abgrenzung zur Figur 1 eine indirekte Warmumformung durchführbar ist. Dazu ist dem Rollenherdofen 1 eine Kaltumform-Station 17 vorgelagert, so dass bereits vor dem
Wärmebehandlungsschritt im Rollenherdofen 1 ein Kaltumformschritt durchführbar ist. Von daher wird vor der Warmumformung die noch unverformte Blechplatine 6 zunächst in der Kaltumform-Station 17 kaltumgeformt. Anschließend wird die kaltumgeformte Blechplatine 6 in den Rollenherdofen 1 transportiert und auf eine Prozesstemperatur oberhalb der
Austenitisierungstemperatur Ac3 gebracht. Im Heißzustand wird dann die Blechplatine 6 dem Umformwerkzeug 3 zugeführt, in der der Warmumformschritt und der Presshärteschritt erfolgen. Nach Entnahme aus dem Umformwerkzeug 3 erfolgt in der Nachbearbeitungsstation 5 eine Schneidoperation oder dergleichen. Alternativ zu der in der Figur 5 gezeigten
Ausführungsvariante kann die Nachbearbeitungsstation 5 gegebenenfalls ebenfalls der
Wärmbehandlung vorgelagert sein, wie es durch den gestrichelten Pfeil 19 in der Figur 5 angedeutet ist.
In der Fig. 6 ist ein eine beschichtete Blechplatine 6 unmittelbar nach dem Beschichtungsschritt I (Figur 7 oder 8) gezeigt, deren Beschichtungssystem 14 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel realisiert ist. Demnach ist das Beschichtungssystem 14 zweilagig aufgebaut, und zwar mit einer material starken Kupferschicht 11 hoher Schichtdicke
Figure imgf000011_0001
und einer materialschwachen Metall-Deckschicht 16 geringer Schichtdicke S2.
In der Fig. 6 liegt die Schichtdicke
Figure imgf000011_0002
der materialstarken Kupferschicht 11 in einem Bereich zwischen 2pm und 20pm. Demgegenüber liegt die Schichtdicke S2 der materialschwachen Metall-Deckschicht 16 in einem Bereich zwischen 0,5pm und 3pm.
Mit der erfindungsgemäßen Schichtdicke der Kupferschicht 11 wird folgendes bewirkt: Zum einen wirkt die materialstarke Kupferschicht 11 im Wärmebehandlungsschritt III (Fig. 7 oder 8), das heißt im Rollenherdofen 1 , als eine Sperrschicht, mittels der ein Wasserstoff-Eintrag aus der Ofenatmosphäre des Rollenherdofens 1 in das Stahlsubstrat 10 reduziert ist. Die
Wasserstoff-Sperrwirkung ist aufgrund der erhöhten Schichtdicke
Figure imgf000011_0003
der Kupferschicht 11 ausreichend stark ausgeprägt. Andererseits ist die Kupferschicht 11 noch ausreichend dünn, um nach dem Wärmebehandlungsschritt III eine stabile Anhaftung der sich aus der Kupferschicht 11 ergebenden Kupferoxidschicht 13 zu gewährleisten. Eine übermäßig große Schichtdicke der Kupferoxidschicht 13 würde dagegen zu einem Abplatzen führen.
Mit der erfindungsgemäßen Schichtdicke S2 der Metall-Deckschicht 16 wird folgendes bewirkt: Zum einen ist die erfindungsgemäße Schichtdicke S2 der Metall-Deckschicht 16 ausreichend groß, um im Wärmebehandlungsschritt III eine Sauerstoff-Sperrwirkung zu gewährleisten, so dass im Wärmebehandlungsschritt III weniger Sauerstoff aus der Ofenatmosphäre mit der Kupferschicht 11 reagieren kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich im
Wärmebehandlungsschritt INI eine Kupferoxidschicht 13 mit übermäßig großer Schichtdicke ausbildet, die zu einem Abplatzen führen würde. Andererseits ist die erfindungsgemäße Schichtdicke S2 der Metall-Deckschicht 16 noch ausreichend klein, um im
Wärmebehandlungsschritt III eine nahezu vollständige Diffusion des Beschichtungsmaterials Metall-Deckschicht 16 in die Kupferschicht 11 zu gewährleisten.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 7 eine Prozessroute zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Stahlblechteils 7 erläutert. Demzufolge wird ein noch unbeschichtetes Stahlsubstrat 10 als aufgewickeltes Bandmaterial (Coil) bereitgestellt. Das aufgewickelte Bandmaterial wird einem Beschichtungsschritt I unterworfen, in dem in einem ersten Teilschritt die Kupferschicht 11 auf das Stahlsubstrat 10 aufgebracht wird, und in einem zweiten Teilschritt die Metall-Deckschicht 16 (insbesondere Zink) auf die Kupferschicht 11 aufgebracht wird.
Anschließend erfolgt ein Schneidschritt II, bei dem das nunmehr beschichtete Bandmaterial in einer Schneidstation zu der Blechplatine 6 zugeschnitten wird. Die Blechplatine 6 wird nachfolgend dem Warmumformprozess zugeführt, der in der Fig. 6 durch die Prozessschritte III bis VII veranschaulicht ist. Demzufolge wird die Blechplatine 6 im Wärmebehandlungsschritt III auf über die Austenitisierungstemperatur Ac3 zum Beispiel in einem Rollenherdofen 1 wärmebehandelt. Anschließend erfolgt ein Einlegeschritt IV, bei dem die wärmebehandelte Blechplatine 6 im Heißzustand in das Umformwerkzeug 3 eingelegt und darin zentriert wird. Danach wird ein Presshärteschritt V durchgeführt, bei dem die Blechplatine 6 warmumgeformt wird und abgekühlt wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils 7. Das
Stahlblechbauteil 7 wird im Umformwerkzeug 3 bis auf eine Entnahmetemperatur abgekühlt. Anschließend wird eine Bauteilentnahme V durchgeführt, bei der das Stahlblechbauteil 7 aus dem Umformwerkzeug 3 entnommen wird. In einem abschließenden Nachbearbeitungsschritt VII erfolgt eine Nachbearbeitung des Stahlblechbauteils 7, beispielhaft ein Beschnitt oder dergleichen. Nach dem in der Figur 7 angedeuteten Beschichtungsschritt I liegen sowohl die Kupferschicht 11 als auch die Metall-Deckschicht 16 in metallischer Phase vor. Erst im nachgeschalteten Wärmebehandlungsschritt III findet eine Diffusion statt, in der das Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht 16 nahezu vollständig in die Kupferschicht 11 eindiffundiert.
In der Fig. 8 ist eine alternative Prozessführung gezeigt, deren grundsätzlicher Ablauf mit der in der Fig. 7 gezeigten Prozessroute übereinstimmt. Im Unterschied zur Fig. 7 ist in der Fig. 8 dem Beschichtungsschritt I ein Nachbehandlungsschritt la prozesstechnisch nachgelagert. Im Nachbehandlungsschritt la wird durch Wärmeeinwirkung der Schichtaufbau aus Kupferschicht 11 und aus Metall-Deckschicht 16 aufgeschmolzen. Dadurch erfolgt eine Vordiffusion, bei der das Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht 16 zumindest teilweise in die Kupferschicht 11 eindiffundiert und gegebenenfalls auch das Kupfer teilweise in das Blechplatinen- Stahlsubstrat eindiffundiert unter Bildung der Kupfer-Eisen-Diffusionsschicht.
Im nachgeschalteten Wärmebehandlungsschritt III erfolgt eine Nachdiffusion, bei der das noch nicht eindiffundierte Rest-Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht 16 weiter in die Kupferschicht 11 eindiffundiert. Auf diese Weise ist eine nahezu vollständige Diffusion des Beschichtungsmaterials der Metall-Deckschicht 16 in die Kupferschicht 11 gewährleistet.
Bezugszeichenliste
I Wärmebehandlungseinrichtung
3 Umformwerkzeug
5 Nachbearbeitungsstation
6 Blechplatine
7 Stahlblechbauteil
9 Transporteinrichtungen
10 Stahl-Grundwerkstoff oder Stahlsubstrat
I I Kupferschicht
13 Kupferoxidschicht
14 Beschichtungssystem
15 Kupfer-Eisen-Diffusionsschicht
16 Metall-Deckschicht
17 Kaltumform-Station
s, Si, S2 Schichtdicken
I Beschichtungsschritt
la Nachbehandlungsschritt
11 Schneidschritt
III Wärmebehandlungsschritt
IV Einlegeschritt
V Umformschritt
VI Bauteilentnahme
VII Nachbearbeitungsschritt

Claims

Patentansprüche
1. Blechplatine zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten
Stahlblechbauteils (7) in einem Warmumformverfahren, bei dem die Blechplatine (6) in einem Wärmebehandlungsschritt (III) auf über die werkstoffspezifische
Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird, mit
- einem Einlegeschritt (IV), in dem die wärmebehandelte Blechplatine (6) in ein
Umformwerkzeug (3) eingelegt wird,
- einem Presshärteschritt (V), in dem die Blechplatine (6) warmumgeformt wird und abgekühlt wird, und zwar unter Bildung des Stahlblechbauteils (7), und
- einem Entnahmeschritt (VI), in dem das Stahlblechbauteil (7) aus dem geöffneten Umformwerkzeug (3) entnommen wird, wobei
die Blechplatine (6) als Grundwerkstoff (10) einen härtbaren Stahl mit einer beidseitigen metallischen Zunderschutzbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Zunderschutzbeschichtung als eine Kupferschicht (11) ausgebildet ist, und dass sich die Kupferschicht (11) im Wärmebehandlungsschritt (III) in eine elektrisch leitfähige, mit dem Stahl-Grundwerkstoff (10) verbundene Kupferoxidschicht (13) umwandelt.
2. Blechplatine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht (11) eine Schichtdicke (si) zwischen 0,5pm und 20pm aufweist, vorzugsweise nicht größer als 5 pm.
3. Blechplatine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht (11) Bestandteil eines Beschichtungssystems (14) ist, bei dem die Kupferschicht (11) von zumindest einer weiteren äußeren Metall-Deckschicht (16), insbesondere aus Zink, Aluminium, Chrom, Magnesium, Titan oder dergleichen, überdeckt ist, und/oder dass die Schichtdicken (si, S2) der einzelnen Schichten des Beschichtungssystems (14) jeweils identisch sind, und/oder dass die Schichtdicken jeweils bis zu 2pm betragen.
4. Blechplatine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Beschichtungssystem (14) aus der Kupferschicht (11) und der Zinkschicht (16) aufgebaut ist, und dass insbesondere die Kupferschicht (11) und die Zinkschicht (16) jeweils eine Schichtdicke (si, S2) im Bereich von 0,5-5pm aufweisen, und/oder dass insbesondere die Schichtdicken (si, S2) beider Schichten (11 , 16) identisch sind und insbesondere bei jeweils etwa 2pm liegen.
5. Blechplatine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Kupferschicht (11) galvanisch oder durch Plasma-Vapour- Deposition (PVD) erfolgt, und/oder dass eine weitere Metall-Deckschicht (16) durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren aufgetragen wird.
6. Blechplatine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl-Grundwerkstoff (10) einer Materialklasse zur Herstellung höchstfester Stahlblechbauteile (7) zugeordnet ist, deren Festigkeit im gehärteten Zustand bei Rm > 1550MPa, bevorzugt Rm > 1700MPa, insbesondere Rm > 1800MPa liegt, und/oder dass der Stahl-Grundwerkstoff (10) insbesondere 22MnB5, 34MnB5 oder 36MnB5 ist.
7. Blechplatine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (14) zweilagig ausgebildet ist mit einer materialstarken
Kupferschicht (11) hoher Schichtdicke (si) und einer materialschwachen Metall- Deckschicht (16) geringer Schichtdicke (S2).
8. Blechplatine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (si) der materialstarken Kupferschicht (11) derart bemessen ist, dass sie im
Wärmebehandlungsschritt (III) als Sperrschicht wirkt, mittels der ein Wasserstoff-Eintrag aus der Ofenatmosphäre in das Stahlsubstrat (10) reduziert ist, und dass nach dem Wärmebehandlungsschritt (III) eine stabile Anhaftung der sich aus der Kupferschicht (11) ergebenden Kupferoxidschicht (13) gewährleistet ist und ein Abplatzen der
Kupferoxidschicht (13) vom Stahlsubstrat (10) der Blechplatine (6) verhindert ist.
9. Blechplatine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (si) der materialstarken Kupferschicht (11) in einem Bereich größer als 2pm sowie kleiner als 20pm liegt.
10. Blechplatine nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (S2) der materialschwachen Metall-Deckschicht (16) derart bemessen ist, dass nach dem Wärmebehandlungsschritt (III) eine nahezu vollständige Diffusion des
Beschichtungsmaterials der Metall-Deckschicht (16) in die Kupferschicht (11) erfolgt ist und vorzugsweise wenig metallische Phase des Beschichtungsmaterials, insbesondere Zink, auf der Blechplatine (6) verbleibt, die für die Warmumformung nachteilig ist, und dass im Wärmebehandlungsschritt (III) die Metall-Deckschicht (16) als Sperrschicht wirkt, die gewährleistet, dass weniger Sauerstoff aus der Ofenatmosphäre mit der Kupferschicht (11) reagieren kann.
11. Blechplatine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (S2) der materialschwachen Metall-Deckschicht (16) bevorzugt in einem Bereich größer als 0,5pm sowie kleiner als 5pm, insbesondere kleiner als 3pm, liegt.
12. Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten
Stahlblechbauteils (7), bei dem in einer Prozessabfolge als Ausgangsmaterial eine Blechplatine (6) bereitgestellt wird, dessen Grundwerkstoff ein härtbarer Stahl ist und die beidseitig eine metallischen Zunderschutzbeschichtung (11) aufweist, mit
- einem Wärmebehandlungsschritt (III), in dem die Blechplatine (6) auf über die werkstoffspezifische Austenitisierungstemperatur Ac3 wärmebehandelt wird,
- einem Einlegeschritt (IV), in dem die Blechplatine (6) im Heißzustand in ein
Umformwerkzeug (3) eingelegt wird,
- einem Presshärteschritt (V), in dem die Blechplatine (6) warmumgeformt wird und abgekühlt wird, und
- einem Entnahmeschritt (VI), in dem das Stahlblechbauteil (7) aus dem geöffneten
Umformwerkzeug (3) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die metallische Zunderschutzbeschichtung als eine Kupferschicht (11) ausgebildet wird, und dass die Kupferschicht (11) im Wärmebehandlungsschritt (III) eine elektrisch leitfähige, mit dem Stahl-Grundwerkstoff (10) verbundene Kupferoxidschicht (13) bildet.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das
Warmumformverfahren eine indirekte Warmumformung ist, bei der eine Schneid- und/oder Umformoperation in einem Kaltumformschritt bereits vor dem
Wärmebehandlungsschritt und dem Presshärteschritt durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der
Kupferschicht (11) eine weitere Schicht aufgetragen werden kann.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das
Warmumformverfahren eine direkte Warmumformung ist, bei der eine Schneid- und/oder Umformoperation nach dem Wärmebehandlungsschritt und dem Presshärteschritt durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Beschichtungsschritt (I) aufweist, in dem vor dem
Wärmebehandlungsschritt (III) die Zunderschutzbeschichtung auf das Blechplatinen- Stahlsubstrat (10) aufgebracht wird, und dass insbesondere der Beschichtungsschritt (I) zweiteilig erfolgt, und zwar mit einem ersten Teilschritt, in dem die Kupferschicht (11) auf das Stahlsubstrat (10) aufgebracht wird, und einem zweiten Teilschritt, in dem die Metall- Deckschicht (16) auf die Kupferschicht (11) aufgebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem
Beschichtungsschritt (I) sowohl die Kupferschicht (11) als auch die Metall-Deckschicht (16) in metallischer Phase vorliegen, und dass insbesondere im
Wärmebehandlungsschritt (III) eine Diffusion erfolgt, in der das Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht (16) weitgehend in die Kupferschicht (11) eindiffundiert.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Beschichtungsschritt (I) und dem Wärmebehandlungsschritt (III) ein Nachbehandlungs- Prozessschritt (la) erfolgt, in dem durch Wärmeeinwirkung der Schichtaufbau aus
Kupferschicht (11) und Metall-Deckschicht (16) aufgeschmolzen wird, wodurch eine Vordiffusion erfolgt, bei der das Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht (16) zumindest teilweise in die Kupferschicht (11) eindiffundiert.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im
Wärmebehandlungsschritt (III) eine Nachdiffusion erfolgt, bei der das noch nicht eindiffundierte Rest-Beschichtungsmaterial der Metall-Deckschicht (16) weiter in die Kupferschicht (11) eindiffundiert.
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