WO2022029033A1 - Verfahren zum herstellen von beschichtetem stahlband, und verfahren zum herstellen eines gehärteten stahlprodukts daraus - Google Patents

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Alexander Tenié
Jörg Wortmann
Rolf Brisberger
Cornelis Pieter JONGENBURGER
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Muhr Und Bender Kg
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    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a method for producing coated steel strip, in particular for producing hot-formed steel products, and products correspondingly produced according to the method.
  • aluminium-silicon-coated high-strength and ultra-high-strength tempered steels in particular manganese-boron-containing tempered steels such as 22MnB5 or 34MnB5, are used in practice for safety-relevant body components of motor vehicles.
  • WO 2009/090555 A1 discloses a method for producing a hot-stamped coated steel section, comprising the steps of: pre-coating a steel strip with aluminum or aluminum alloy by hot dipping, the thickness of the pre-coating being 20 to 33 microns on each side, cutting the pre-coated strip of steel into a steel section, heating the steel section in a furnace, transferring the heated steel section into a die, hot stamping the steel section in the die, and cooling the steel section.
  • WO 2020 020644 A1 discloses a method for producing a hardened steel product, comprising the steps of: providing a steel substrate with a base material made of hardenable steel; Coating the steel substrate with an aluminum minium-containing precoat of at least 34 microns thickness; flexible rolling of the precoated steel substrate; Working out a circuit board from the flexibly rolled strip material; heating the circuit board such that the base material of the circuit board is austenitized; Hot forming of the heated blank wherein the heated blank is formed and rapidly cooled to produce a hardened coated steel product.
  • WO 2006/097237 A1 discloses a method and a system for hot-dip coating hot-rolled steel strip.
  • the steel strip goes through a pickling station, a rinsing station, a drying station, a heating furnace and then a molten bath.
  • the finished thickness and the thickness tolerance of the hot-dip coated steel strip are achieved by a controlled reduction in thickness in a roll stand in the process line, in that the finished thickness is checked by a thickness gauge at the outlet of the roll stand and deviations from the target thickness are fed back as a control signal to the adjustment of the roll stand.
  • TWIP steel (“Twinning Induced Plasticity”) is known from US 2019/0218639 A1.
  • TWIP steels have high manganese and carbon contents, have a stable austenitic structure and are characterized by very good formability with strong strain hardening.
  • the manufacturing process comprises the steps: heating a slab with a defined alloy composition to over 1000°C and hot rolling with a final rolling temperature of at least 850°C, coiling at less than or equal to 580°C, first cold rolling with a reduction ratio of between 30 and 70%, recrystallization annealing between 700 and 900°C, second cold rolling with a reduction ratio between 1 and 50%, stress relief annealing at between 460 and 625°C, and hot dip coating in an aluminium-based melt with a temperature between 550 and 700°C or in a zinc-based melt with a temperature between 410 and 550°C.
  • DE 10 2004 059 566 B3 discloses a method for hot-dip coating a strip made of high-strength steel, in particular TRIP steel, with zinc and/or aluminum.
  • the strip is heated to 650 to 750°C in a continuous furnace in a reducing atmosphere.
  • the surface which mainly consists of pure iron, is treated with a short heat treatment at up to 650 to 750°C in an im converted into an iron oxide layer in a reaction chamber with an oxidizing atmosphere integrated in a continuous furnace.
  • the strip is then annealed in a reducing atmosphere by further heating up to a maximum of 900°C and then cooled to the melting bath temperature, with the iron oxide layer being reduced to pure iron.
  • the temperature of the hot-dip zinc bath is about 480°C.
  • the present invention is based on the object of proposing a method for producing coated steel strip and a correspondingly produced steel strip which has improved processability for downstream production processes, in particular for flexible rolling or hot forming.
  • a method for producing coated steel strip in which steel strip made of hardenable steel is brought to a strip target temperature of less than 625° C., and the steel strip, heated to strip target temperature, in a melt containing aluminum and silicon and a temperature less than 620°C, is hot dip coated.
  • the diffusion processes between the melt and the steel strip are relatively short or slight as a result of the hot-dip coating at the specified, relatively low temperature, so that a relatively thin diffusion layer is formed.
  • the rollability or formability can be improved by lower rolling forces or forming forces. There is less friction between the tool and the coated steel strip, which has a positive effect on wear and the service life of the tool.
  • a steel strip is used as the starting material, in particular made from a martensitic hardening steel material, which can be hot strip or cold strip.
  • Hot strip is a finished rolled steel product (steel strip) that is produced by rolling after prior heating.
  • Cold strip means a cold-rolled steel strip (flat steel).
  • Flat steel is called cold-rolled, the last reduction in thickness is carried out by rolling without previous heating.
  • Hot-rolled steel strip is preferably used, since this saves one manufacturing step, namely cold rolling before coating, and thus the corresponding costs. Insofar as the term steel strip is used within the scope of this disclosure, hot strip and cold strip are to be included accordingly.
  • the steel strip can, for example, be made of a steel material that can be hardened or tempered, in particular that contains manganese. In addition to manganese, this can contain other micro-alloying elements, such as boron.
  • a martensitic hardenable boron-manganese steel can in particular have a ferritic-pearlitic initial structure at room temperature and has comparatively good adhesion properties for the coating to be applied.
  • the steel material can contain, for example, the following proportions of alloying elements, each in percent by weight: carbon (C) with at least 0.15% and at most 0.5%, in particular at most 0.4%; manganese (Mn) with at least 0.5% and at most 5.0%, in particular at least 0.8% and at most 2.5%; Aluminum (Al) with a maximum of 0.1%; Silicon (Si) with at least 0.1% and at most 0.9%, in particular at most 0.5%; Chromium (Cr) with at least 0.01% and at most 1.0%; titanium (Ti) with at most 0.05%, in particular at least 0.02%; Boron (B) with at least 0.0005% and at most 0.080%, in particular at least 0.002% and at most 0.006%; Phosphorus (P) with a maximum of 0.1%, in particular a maximum of 0.01%; Sulfur (S) with not more than 0.05%, in particular not more than 0.01%; optionally further alloying elements with a proportion of up to 1.55% (1550 ppm); the
  • the substrate can contain in particular at least one of: copper (Cu) with a maximum of 0.1%, nickel (Ni) with a maximum of 0.1%, niobium (Nb) with a maximum of 0.1%, molybdenum ( Mo) with a maximum of 1.0%, vanadium (V) with a maximum of 0.25%, without being restricted to this.
  • the mass fraction of the optional alloying elements can also be lower, for example molybdenum can also be contained with at most 0.8%, 0.5% or 0.25%.
  • the mass fraction of the optional alloying elements is a maximum of 1.55% in total, in particular a maximum of 1.0%, in particular a maximum of 0.8%.
  • the optional Alloying elements can in particular be chosen from the group of metals.
  • the alloying element niobium advantageously brings about a fine-grained structure of a component hot-formed from the alloy.
  • a particularly fine-grained structure results, which in turn has a favorable effect on the strength of the component made from it.
  • usable boron-manganese steel materials are 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 or 34MnB5.
  • the hot strip is preferably cleaned before coating, which can be done chemically, mechanically or electrochemically in particular. During cleaning, the solid burn-off (scale) that has occurred on the surface as a result of the hot-rolling process is removed.
  • a common chemical or electrochemical process is pickling, which can be done, for example, in a continuous system in which the steel strip is conveyed through an acid bath.
  • a hot strip can first be cold-rolled to a constant thickness in an intermediate step. The cold strip produced in this way is then cleaned, as described above, and coated, it being possible for the coating to be applied when the steel strip is in the as-rolled state. Before coating, the steel strip can have an initial thickness of 1.5 to 4.0 mm, for example.
  • the strip target temperature to which the steel strip is brought before it is immersed in the molten bath is, for example, above 580.degree. C., in particular above 600.degree.
  • the steel strip can in particular be brought to a strip target temperature of less than 620°C or also less than 610°C.
  • the strip target temperature also includes a state immediately before or during immersion in the molten bath, ie the immersion temperature can be between 580 and 620° C., for example.
  • the strip target temperature can be achieved directly by heating to the desired temperature, or indirectly by heating to a higher temperature and then cooling to the strip target temperature.
  • the steel strip is preferably heated in a continuous process, for example by means of an induction furnace or a radiant tube furnace.
  • the heating can take place in just one heating stage, which is particularly energy-efficient, and/or under a constantly reducing atmosphere, ie with a low oxygen content.
  • the Strip target temperature (T3) can refer, for example, to the temperature of the steel strip at the exit or when leaving the furnace and/or at the entrance or when entering the melt.
  • the steel strip can be heated to the strip target temperature (T3) at a rate (v) along a run length (L), preferably in an atmosphere with a hydrogen content (H2) of at least 30% by volume, preferably at least 50% by volume. %, and/or with an oxygen content (O2) of less than 10 ppm.
  • the heating is carried out in particular in such a way that the ratio of the product of the target strip temperature (T3 in °C), passage length (L in m) of the induction furnace and hydrogen content (H2 in vol%) in the induction furnace, and the product of the heating rate ( f in °C/s) and speed (v in m/s) of the steel strip is greater than 96 s 2 and/or less than 192 s 2 [96 s 2 ⁇ (T3 * L * H2)/(t' * v ) ⁇ 192 s 2 ].
  • the steel strip can be heated at a heating rate of more than 30 K/s, in particular more than 50 K/s.
  • the heating time to the strip target temperature (T3) can be done in less than 60 seconds.
  • the inductive heating carried out with one or more of the parameters mentioned produces a surface that can be coated very well. Together with the low coating temperature of in particular 580 to 620° C., preferably 600 to 610° C., a particularly thin diffusion zone is produced, which then contributes to an improvement in downstream manufacturing processes.
  • the process management based on inductive heating in combination with the subsequent melt exchange coating can also be referred to as a heat-to-coat process.
  • Inductive heating has the advantage of a very short glow time, which can be less than 60 s. This shortens the time it takes to activate or clean the surface. Therefore, annealing is preferably carried out using atmospheres with a comparatively high reduction potential in order to be able to ensure adequate wettability of the melt.
  • the process according to the Sendzimir process which is used in particular for cold-rolled steel strips. Since the as-rolled structure produced by cold rolling must be recrystallized, heating preferably takes place in a radiant tube furnace that is large enough to recrystallize the material at more than 700°C for several minutes. Through the atmosphere set accordingly in this oven (hydrogen content, dew point, etc.) and a relatively long annealing time can ensure sufficient cleaning of the surface to make it wettable for the coating process.
  • the steel strip can be heated to the strip target temperature (T3) by means of a radiant tube furnace, for example, at a heating rate of 10 K/s to 30 K/s.
  • the glow time can be more than 120 seconds.
  • the manganese and silicon contents of the substrate to be coated have a major influence on the coatability of the material, since oxides of the alloying elements can form during annealing, which impede wetting of the aluminium-silicon melt on the surface.
  • the necessary recrystallization requires a temperature of over 700°C, which means that cooling between the furnace and immersion in the molten bath is necessary in order to keep the temperature of the molten bath below the target 620°C.
  • the melt preferably contains at least 85% by weight aluminum, 5 to 15% by weight silicon, up to 5% by weight iron and optionally one or more other alloying elements in minor proportions.
  • An exemplary composition of the molten bath or the applied coating can contain up to 3 percent by weight iron, 12 to 13 percent by weight silicon, optionally one or more other alloying elements with a total of up to 1.5 percent by weight, and the remainder aluminum. It goes without saying that unavoidable impurities may also be present.
  • the proportion of the other alloying elements for example at least one from the group of Mn, Cr, Ti, B, P, S, Sr, Sb, Cu, Ni, Nb, Mo, V, can together be up to 1.5 percent by weight, for example.
  • the coating alloy can be modified in such a way that a layered structure of intermetallic phases is created, with either a silicon-rich phase embedded in an aluminum-rich phase in addition to the interdiffusion zone, or a three-layer layer structure consisting of the interdiffusion zone and two aluminum phases that differ in iron and silicon content.
  • the pre-coating is preferably applied to the steel strip to a thickness of at least 26 microns (pm), more preferably at least 34 microns (pm). Alternatively or additionally, the pre-coating is preferably applied to the steel strip with a thickness of at most 50 micrometers (pm), in particular at most 46 micrometers (pm).
  • the hot-dip coating diffusion processes take place between the melt material and the hot-rolled strip material, with a diffusion layer having a thickness of preferably less than seven micrometers being formed. With a thickness of the pre-coating of 26 to 50 microns, the coating weight per side of the steel strip is about 78 to 150 g/m 2 .
  • a steel strip is used that has a relatively high roughness, for which hot strip is particularly well suited since it has a higher initial roughness than cold strip.
  • the steel strip used has a roughness for which at least one of the following applies: the roughness Ra is at least 0.8 and/or at most 2.0 microns; the roughness Rz is at least 4 and/or at most 12 microns; the roughness Rmax is at least 5 and/or at most 15 micrometers.
  • the thickness of the pre-coating to be applied can be increased by a relatively high roughness. This has a positive effect against a later reduction in layer thickness in a possibly downstream manufacturing process, such as flexible rolling.
  • the roughness changes slightly as a result of the coating, so that the following roughness values can result for the coated steel strip, for example: Ra: 0.4 to 3.0; Rz: 5 to 15; Rmax: 8 to 25.
  • the object is further achieved by a method for producing a hardened steel product, comprising: providing a precoated steel strip which is produced according to at least one of the above-mentioned embodiments; flexible rolling of the precoated steel strip, successive sections of the precoated steel strip being rolled out to different extents; Carving out a blank from the flexibly rolled steel strip; Heating the circuit board in such a way that the base material of the circuit board is at least partially austenitized, diffusion processes taking place between the base material and the pre-coating as a result of the heating; and hot working the heated blank, wherein the heated blank formed and cooled so rapidly that a hardened coated steel product is produced.
  • the thickness of the diffusion layer of the precoated steel strip is relatively thin. In this way, the growth of the diffusion zone is also reduced during the subsequent hot forming. As already mentioned above, the thin diffusion zone results in improved processability for the downstream manufacturing processes. The friction between the coated steel strip and the respective tool is reduced. With flexible rolling, rollability improves due to lower rolling forces, which has a positive effect on wear and service life. The same applies analogously to hot forming, where reduced friction between the blank and the forming tool analogously leads to lower forming forces and reduced tool wear.
  • strip material with a substantially uniform sheet thickness in particular a uniform nominal Dieken size
  • strip material with a variable sheet thickness over the length i.e. having different nominal Dieken dimensions over the length.
  • the sections of different thickness produced by flexible rolling extend transversely to the longitudinal direction or rolling direction of the strip material.
  • the strip material can be wound up again into a coil and fed to another point for further processing, or it can be further processed directly, for example by cutting the strip material to length into individual sheet metal elements.
  • the flexible rolling can be carried out with reduction ratios of at least 1% and/or at most 60% based on the initial thickness of the precoated steel strip, in particular with reduction ratios between 3% and 55%. Due to the flexible rolling, the thickness of the pre-coating is reduced accordingly with the steel substrate. Depending on the desired component geometry, there can be any other desired thickness ranges or transitional regions between the thinnest sections and the thickest sections of the strip material. It goes without saying that further steps such as heating, to the coil or unwind from the coil, straighten, clean or the like can be interposed.
  • the object is further achieved by a hot-formed steel product with a base material and an aluminum-silicon coating, which is produced in particular according to one of the above-mentioned methods, the steel product having a thickness of 1.5 to 4 mm; wherein the base material contains the above proportions of alloying elements; wherein the coating contains aluminum and silicon and has a thickness of at least 20 micrometers (pm) and at most 50 micrometers (pm); and wherein the coating comprises a diffusion layer less than 14 microns (14 ⁇ m) thick in the interface to the base material, an intermetallic layer thereover, and a surface layer overlying the intermetallic layer.
  • the intermetallic layer may have a silicon content of 10 to 18% by weight and the surface layer 5 to 10% by weight.
  • FIG. 1 shows a schematic of a method according to the invention for producing coated steel strip, in particular for producing hot-formed parts, in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a section of the coated steel strip after pre-coating in an enlarged schematic representation
  • FIG. 3 shows a schematic of a method according to the invention for producing a coated, cured molded part
  • FIG. 4 shows a section of the coated and flexibly rolled steel substrate after hot forming in an enlarged schematic representation
  • FIG. 5 shows a schematic of a method according to the invention for producing coated steel strip, in particular for producing hot-formed parts, in a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a method according to the invention for producing a coated steel substrate.
  • the steel substrate is also referred to as steel strip or generally as strip material.
  • the steel substrate is also referred to as a blank.
  • the coating method S10 comprises the sub-steps of heating the steel strip 2 to a target strip temperature T3 of less than 625° C. and hot dip coating of the steel strip 2, which has been heated to the target strip temperature, in a melt 4 made of an aluminum-silicon alloy, which is heated to a temperature T4 of less than 620 °C is set.
  • the steel substrate 2 should include a particularly martensitic flat steel product made of boron-manganese steel, which can contain, for example, the following proportions of alloying elements in weight percent: carbon (C) with at least 0.15% and at most 0 .5%, in particular at most 0.4%; manganese (Mn) with at least 0.5% and at most 5.0%, in particular at least 0.8% and at most 2.5%; Aluminum (Al) with a maximum of 0.1%; Silicon (Si) with at least 0.1% and at most 0.9%, in particular at most 0.5%; chromium (Cr) with at least 0.01% and at most 1.0%; titanium (Ti) with at most 0.05%, in particular at most 0.01%; Boron (B) with at least 0.0005% and at most 0.080%, in particular at least 0.002% and at most 0.006%; Phosphorus (P) with a maximum of 0.1%, in particular a maximum of 0.01%; Sulfur (S) with at most
  • This alloy composition includes, for example, boron-manganese steel materials such as 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 and 34MnB5.
  • the steel material can have a yield point of, for example, 150 to 1100 MPa and/or a tensile strength of at least 450 MPa and/or a particularly ferritic-pearlitic structure at room temperature.
  • the optional further alloying elements can be selected from the group: copper (Cu) with a maximum of 0.1%; nickel (Ni) with a maximum of 0.1%; niobium (Nb) with at most 0.1%; molybdenum (Mo) with a maximum of 1.0%; vanadium (V) with a maximum of 0.25%; without being limited thereto, with the stated percentages in each case Percentage by mass of the steel substrate.
  • copper copper
  • Ni nickel
  • Nb niobium
  • Mo molybdenum
  • V vanadium
  • the total mass fraction of the optional alloying elements is at most 1.55%, in particular at most 1.0%, preferably at most 0.8%.
  • Hot-rolled strip or cold-rolled strip can be used as the steel substrate 2, with hot-rolled steel strip being particularly suitable for an efficient manufacturing process, since an additional manufacturing step, namely cold rolling before coating, can be omitted.
  • the steel strip used preferably has a roughness of at least one of the following values: Ra of at least 0.8 and/or at most 2.0 microns; a roughness Rz of at least 4 and/or at most 12 microns; a roughness Rmax of at least 5 and/or at most 15 microns. Due to a relatively high roughness, the melt can adhere particularly well during the subsequent hot-dip coating, so that pre-coatings 8 with greater thicknesses can also be applied well.
  • the steel substrate 2 can, for example, be unwound from a coil 6 by means of a reel 5 .
  • the steel substrate can then optionally be cleaned in a cleaning device 7 before coating.
  • the cleaning can be done chemically, mechanically or electrochemically, for example.
  • the coating process S10 is continuously performed, and in the present embodiment, heating is performed in an induction furnace 3, but not limited thereto.
  • the steel substrate passes through different furnace areas.
  • the steel substrate is heated to the strip target temperature T3 at a speed v along a passage length L, preferably in an atmosphere with a hydrogen content (H2) of at least 30% by volume, preferably at least 50% by volume.
  • H2 hydrogen content
  • the heating is carried out in particular in such a way that the ratio of the product of the strip target temperature T3, the length L of the induction furnace and the hydrogen content (H2) in the induction furnace 3, and the product of the heating rate t' and the speed v of the steel strip 2 is greater than 96 s 2 and /or is less than 192 s 2 , i.e. 96 s 2 ⁇ (T3 * L * H2)/(t' *v ) ⁇ 192 s 2 .
  • the passage length L can be 10 to 30 m, for example, and the speed v can be between 0.6 to 2 m/s, for example.
  • steel strip can be heated at a heating rate of more than 30 K/s, in particular over 50 K/s. This applies above all to the temperature range from room temperature to 600°C.
  • the heating time to the strip target temperature T3 can take place in less than 60 seconds.
  • the strip target temperature to which the steel strip 2 is heated before it is immersed in the molten bath 4 is, for example, above 580°C, in particular above 600°C and/or less than 620°C, in particular less than 610°C.
  • the steel strip 2 runs through the molten bath 4 in which it is provided with a pre-coating 8 .
  • the steel strip 2 can have at least approximately the strip target temperature when it is immersed, that is to say the immersion temperature can in particular be above 580° C. and/or below 620° C.
  • the alloy composition of the melt 4 determines the composition of the pre-coating 8 applied to the steel substrate 2.
  • the melt 4 or the pre-coating 8 contains aluminum (Al) with at least 85 percent by weight and silicon (Si) with up to 15 percent by weight. It goes without saying that other alloying elements can also be included, for example iron and/or other alloying elements with a total of up to 5 percent by weight.
  • the steel substrate 2 runs through the molten bath of liquid coating material in the coating plant 10, which adheres to the surface of the substrate 2, so that a pre-coated steel substrate 2' is produced.
  • the melt of the coating material can contain, for example, 5 to 15 percent by weight silicon, 2 to 4 percent by weight iron, optionally one or more other alloying elements, such as at least one from the group consisting of Mn, Cr, Ti, B, P, S, Sr, Sb, Cu , Ni, Nb, Mo, V, together containing up to 1.5 percent by weight, and the remainder aluminum and unavoidable impurities.
  • the reduction of the surface is subject to a thermal dependence: Due to a lower temperature in the reducing part of the furnace 3 at approx. 300 to 625 °C and a relatively short furnace length and the associated short residence time at these temperatures, there is relatively little time left for the surface of oxides to reduce. It is therefore favorable to set the furnace atmosphere appropriately and to anneal in the inlet area of furnace 3 at very high heating rates of more than 20 K/s, preferably more than 50 K/s, in order to avoid oxidation in this area of furnace 3 as far as possible.
  • a furnace atmosphere with O2 contents of less than 10 ppm, in particular less than 6 ppm, and H2O contents of less than 500 ppm, in particular less than 200 ppm, is preferably set. Furthermore, high H2 contents can be blown into the furnace nozzle 12 in order to achieve good reduction conditions.
  • the melt 4 has a temperature T4 of below 620°C. Due to the hot-dip coating below the mentioned temperature T4, the diffusion processes between the melt 4 and the steel strip 2 are relatively short or low, so that a relatively thin pre-diffusion layer is formed.
  • FIG. 2 schematically shows a section of a correspondingly pre-coated strip material 2 ′, in which a thin diffusion zone 9 of less than seven micrometers is formed in the transition between substrate 2 and pre-coating 8 .
  • the layer thickness of the pre-coating 8 can be adjusted, for example, in such a way that the reduction in the layer thickness due to a downstream production process, such as flexible rolling, is compensated for in order to improve the protection against corrosion.
  • the pre-coating 8 On the outside is the pre-coating 8, which can have a minimum thickness of 26 micrometers, in particular at least 34 micrometers, and/or a maximum thickness of 50 micrometers, in particular up to 46 micrometers. With a thickness of the pre-coating of 26 to 50 microns, the coating weight per side of the steel strip is about 78 to 150 g/m 2 .
  • the combination of steel substrate 2 with pre-coating is provided with reference number 2'.
  • the inductive heating carried out using the above parameters contributes to the creation of a surface that can be coated very well. Together with the low coating temperature of in particular 580 to 620° C., preferably 600 to 610° C., a particularly thin diffusion zone is produced, which then contributes to an improvement in downstream manufacturing processes.
  • the coated steel strip 2' can optionally run through a nozzle unit 13, with which excess liquid coating material is blown off the surface.
  • a downstream cooling unit 14 the coated steel substrate can be cooled in what is known as an air cooling section.
  • the steel strip 2′ can then optionally be skin-passed in a skin-passing unit 15 to improve the surface.
  • the skin-passing unit comprises several skin-passing rolls 16, 16'.
  • the coated steel substrate 2 ′ can be straightened in a straightening unit 17 by means of a plurality of rollers 18 .
  • the coated steel strip 2' can then be coiled into a coil 5' in a coiler 6'.
  • FIG. 3 shows a method according to the invention for producing a hardened molded part from a coated steel substrate 2′, which has been produced according to the method described in FIGS.
  • the coated steel substrate 2' is flexibly rolled in step S20 by means of a rolling unit 19.
  • the coated steel strip 2' which before flexible rolling has a largely constant sheet thickness along its length, is rolled by means of rollers 20, 21 in such a way that it has a variable sheet thickness along the rolling direction.
  • the coated and flexibly rolled steel substrate is provided with the reference number 22 .
  • the process is monitored and controlled, with the data determined by a sheet thickness measurement 23 being used as an input signal for controlling the rolls 20, 21.
  • the flexible rolling is carried out according to the desired target thickness profile of a blank to be cut from the strip material 22 or a component to be produced from it. It can Flexible rollers with rolling rates of at least 1% and/or a maximum of 60% based on the initial thickness of the pre-coated steel substrate 2' are carried out, in particular with rolling rates between 3% and 55%.
  • the pre-coating 8 can have a reduced first thickness of in particular less than 20 micrometers in thinner first sections and a reduced second thickness of in particular more than 33 micrometers, preferably more than 36 micrometers in thicker second sections.
  • the strip material 22 can be wound up again into the coil 5' so that it can be transported to a subsequent processing station.
  • the steel strip 22 can be smoothed in a subsequent process step, which takes place in a strip straightening device 26 .
  • the smoothing step is optional and can also be omitted.
  • the coated and flexibly rolled steel strip 22 is separated in method step S30.
  • individual sheet metal blanks 32 are worked out of the steel strip 22, for example by means of a punching and/or cutting device 24. Depending on the shape of the sheet metal blanks 32 to be produced, these can be punched out of the strip material 22 as a shaped cut, with an edge that is not used being discarded as scrap. or the strip material 22 can simply be cut into sections.
  • the blanks 32 which in the initial state at room temperature have a particularly ferritic-pearlitic structure, are hot-formed in a subsequent step S40, which can also be referred to as press hardening.
  • a subsequent step S40 which can also be referred to as press hardening.
  • the blank 32 is heated to a temperature that is generally above the AC1 or AC3 temperature of the material, for example between 750° C. and 1000° C. Heating may be accomplished by any suitable method, such as inductive heating, conductive heating, roller hearth heating, contact hot plate heating, infrared, or other known methods.
  • the initially ferritic-pearlitic structure is at least partially converted into austenite, which is also referred to as austenitizing.
  • the holding time for austenitizing the coated blank 32 depends on the selected temperature and can be between 4 and 10 minutes lie. After heating to the austenitization temperature, the blank 32 is then placed in a hot forming tool 25 and shaped therein and cooled or quenched so quickly that at least partially a martensitic hardened structure is produced in the molded part 42 produced in this way.
  • hot forming can be carried out as a direct process.
  • the blank 32 is heated directly to the austenitization temperature and then hot-formed to the desired final contour in one step.
  • a previous (cold) preforming does not take place here.
  • hot forming can also be carried out as an indirect process, which includes the partial steps of cold preforming, subsequent heating of the cold preformed component to austenitization temperature and subsequent hot forming to produce the final contour of the molded part.
  • the following layers in particular can form from the outside in by way of hot forming: a surface layer 28a, in particular with a proportion of iron of 34 to 45%, aluminum of 50 to 60% and silicon of 5 to 10%; an intermetallic layer, in particular with an iron content of 45 to 60%, aluminum of 25 to 40% and silicon of 10 to 18%; an intermediate layer 28c, in particular with an iron content of 39 to 47%, aluminum of 53 to 61% and silicon of 0 to 2%; and an interdiffusion layer 28d, in particular with a proportion of a-iron or iron of 86 to 95%, aluminum of 4 to 10%, silicon of 0 to 5%, each in percent by weight.
  • a surface layer 28a in particular with a proportion of iron of 34 to 45%, aluminum of 50 to 60% and silicon of 5 to 10%
  • an intermetallic layer in particular with an iron content of 45 to 60%, aluminum of 25 to 40% and silicon of 10 to 18%
  • an intermediate layer 28c in particular with an iron content of 39 to 47%, aluminum of 53 to 61% and silicon
  • the coating 28 of the hot worked product 42 in the thinner first portions has a final coating thickness greater than 15 microns, more preferably greater than 20 microns.
  • the coating 28 can have a second final thickness, in particular of more than 30 micrometers, preferably more than 35 micrometers.
  • the diffusion layer 28d of molding 42 preferably has a thickness of less than 14 microns (14 gm).
  • FIG. 5 shows a modified embodiment of a method according to the invention for producing a coated steel substrate.
  • the present method largely corresponds to the method according to FIGS. 1 and 2, the description of which is referred to in this respect.
  • Identical or mutually corresponding components are provided with the same reference symbols as in the above figures.
  • a special feature of the embodiment according to FIG. 5 is that the heating takes place by means of a so-called Sendzimir process, which is particularly suitable for cold-rolled steel strips 2 .
  • the heating takes place in a radiant tube furnace 3, which is large enough to recrystallize the material at more than 700° C. for several minutes.
  • an atmosphere (hydrogen content, dew point, etc.) and a relatively long annealing time are set such that the surface is sufficiently cleaned to make the steel strip 2 wettable for the coating process.
  • the steel strip 2 is heated to the strip target temperature T3 by means of the radiant tube furnace 3, in particular at a heating rate of 10 K/s to 30 K/s.
  • the glow time can be more than 120 seconds.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband, umfassend: Erwärmen eines Stahlbands (2) aus einem härtbaren Stahl auf eine Bandzieltemperatur (T3) von weniger als 625°C, und Schmelztauchbeschichten des auf die Bandzieltemperatur (T3) erwärmten Stahlbands (2) in einer Schmelze (4), die zumindest Aluminium und Silizium enthält, wobei die Schmelze (4) eine Temperatur (T4) von weniger als 620°C aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts aus dem genannten Verfahren sowie ein hieraus hergestelltes Warmformteil (42).

Description

Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband, und
Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts daraus
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband, insbesondere zur Herstellung von warmumgeformten Stahl Produkten, sowie gemäß dem Verfahren entsprechend hergestellte Produkte.
Es ist bekannt, metallische Bauteile zum Korrosionsschutz zu beschichten sowie diese mittels Warmumformen zu Formteilen umzuformen. Für sicherheitsrelevante Karosseriebauteile von Kraftfahrzeugen werden in der Praxis beispielsweise Aluminium-Sili- zium-beschichtete hochfeste sowie ultrahochfeste Vergütungsstähle, im Speziellen mangan-borhaltige Vergütungsstähle wie beispielsweise 22MnB5 oder 34MnB5 eingesetzt.
Beispielsweise ist aus der WO 2009/090555 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines heißgestanzten beschichteten Stahlabschnitts bekannt, mit den Schritten: Vorbeschichten eines Stahlstreifens mit Aluminium oder Aluminiumlegierung durch Schmelztauchen, wobei die Dicke der Vorbeschichtung 20 bis 33 Mikrometer auf jeder Seite aufweist, Schneiden des vorbeschichteten Stahlstreifens zu einem Stahlabschnitt, Heizen des Stahlabschnitts in einem Ofen, Übertragen des aufgeheizten Stahlabschnitts in ein Presswerkzeug, Heißstanzen des Stahlabschnitts im Presswerkzeug, und Abkühlen des Stahlabschnitts.
Aus der WO 2020 020644 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts bekannt mit den Schritten: Bereitstellen eines Stahlsubstrats mit einem Basismaterial aus einem härtbaren Stahl; Beschichten des Stahlsubstrats mit einer Alu- minium enthaltenden Vorbeschichtung mit einer Dicke von mindestens 34 Mikrometern; Flexibles Walzen des vorbeschichteten Stahlsubstrats; Herausarbeiten einer Platine aus dem flexibel gewalzten Bandmaterial; Erwärmen der Platine derart, dass das Basismaterial der Platine austenitisiert wird; Warmumformen der erwärmten Platine, wobei die erwärmte Platine umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahlprodukt mit Beschichtung erzeugt wird.
Aus der WO 2006/097237 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zum Schmelztauchbeschichten von warmgewalztem Stahlband bekannt. Das Stahlband durchläuft eine Beizstation, eine Spülstation, eine Trockenstation, einen Erwärmungsofen und dann ein Schmelzbad. Die Fertigdicke und die Dickentoleranz des schmelztauchbeschichteten Stahlbandes werden durch eine kontrollierte Dickenreduktion in einem Walzgerüst in der Prozesslinie dadurch erreicht, dass die Fertigdicke im Auslauf des Walzgerüstes durch ein Dickenmessgerät kontrolliert und Abweichungen von der Solldicke als Stellsignal auf die Anstellung des Walzgerüstes zurückgeführt wird.
Aus der US 2019/0218639 A1 ist ein kaltgewalzter TWIP-Stahl ("Twinning Induced Plasticity") bekannt. TWIP-Stähle haben hohe Mangan- und Kohlenstoffgehalte, weisen ein stabiles austenitisches Gefüge auf und sind durch sehr gute Umformbarkeit mit starker Kaltverfestigung gekennzeichnet. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte: Erwärmen einer Bramme mit definierter Legierungszusammensetzung auf über 1000°C und Warmwalzen mit einer Endwalztemperatur von mindestens 850°C, Wickeln bei kleiner oder gleich 580°C, erstes Kaltwalzen mit einem Abwalzgrad von zwischen 30 und 70%, Rekristallisationsglühen zwischen 700 und 900°C, zweites Kaltwalzen mit einem Abwalzgrad zwischen 1 und 50%, Entspannungsglühen bei zwischen 460 und 625°C, und Schmelztauchbeschichten in einer aluminiumbasierten Schmelze mit einer Temperatur zwischen 550 und 700°C oder in einer zinkbasierten Schmelze mit einer Temperatur zwischen 410 und 550°C.
Aus der DE 10 2004 059 566 B3 ist ein Verfahren zum Schmelztauchbeschichten eines Bandes aus höherfestem Stahl, insbesondere TRIP-Stahl, mit Zink und/oder Aluminium bekannt. Das Band wird in einem Durchlaufofen in einer reduzierenden Atmosphäre auf 650 bis 750°C erwärmt. Die überwiegend aus Reineisen bestehende Oberfläche wird durch eine kurze Wärmebehandlung bei bis zu 650 bis 750°C in einer im Durchlaufofen integrierten Reaktionskammer mit oxidierender Atmosphäre in eine Ei- senoxidschicht umgewandelt. Das Band wird anschließend in einer reduzierenden Atmosphäre durch weitere Erwärmung bis auf maximal 900°C geglüht und anschließend auf Schmelzbadtemperatur abgekühlt, wobei die Eisenoxidschicht in Reineisen reduziert wird. Die Temperatur des Schmelztauchbads aus Zink beträgt etwa 480°C.
Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband sowie ein entsprechend hergestelltes Stahlband vorzuschlagen, das für nachgelagerte Fertigungsprozesse, insbesondere für ein Flexibles Walzen beziehungsweise Warmumformen, eine verbesserte Verarbeitbarkeit aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband vorgeschlagen, bei dem Stahlband aus einem härtbaren Stahl auf eine Bandzieltemperatur von weniger als 625°C gebracht wird, und das auf Bandzieltemperatur erwärmte Stahlband in einer Schmelze, die Aluminium und Silizium enthält und eine Temperatur von weniger als 620°C aufweist, schmelztauchbeschichtet wird.
Durch das Schmelztauchbeschichten bei der angegebenen verhältnismäßig niedrigen Temperatur sind die Diffusionsvorgänge zwischen der Schmelze und dem Stahlband relativ kurz beziehungsweise gering, so dass sich eine verhältnismäßig dünne Diffusionsschicht ausbildet. Hieraus ergibt sich für nachgelagerte Fertigungsprozesse, insbesondere für ein Flexibles Walzen und/oder Warmumformen des erfindungsgemäß beschichteten Stahlbands eine verbesserte Verarbeitbarkeit. Insbesondere kann die Walzbarkeit beziehungsweise Umformbarkeit durch geringere Walzkräfte beziehungsweise Umformkräfte verbessert werden. Es entsteht weniger Reibung zwischen dem Werkzeug und dem beschichteten Stahlband was sich günstig auf den Verschleiß und die Lebensdauer des Werkzeugs auswirkt.
Als Ausgangsmaterial wird ein Stahlband verwendet, insbesondere aus einem marten- sitisch härtbaren Stahlwerkstoff, wobei es sich um Warmband oder Kaltband handeln kann. Unter Warmband wird ein Walzstahlfertigerzeugnis (Stahlband) verstanden, das durch Walzen nach vorherigem Erwärmen erzeugt wird. Mit Kaltband ist ein kaltgewalztes Stahlband (Flachstahl) gemeint. Als kaltgewalzt wird Flachstahl bezeichnet, dessen letzte Dickenabnahme durch Walzen ohne vorhergehendes Erwärmen erfolgt. Vorzugsweise wird Stahlwarmband verwendet, da sich hiermit ein Fertigungsschritt, nämlich das Kaltwalzen vor dem Beschichten und damit entsprechende Kosten eingespart werden können. Soweit im Rahmen dieser Offenbarung die Bezeichnung Stahlband verwendet wird, soll hiermit entsprechend Warmband und Kaltband mit umfasst sein.
Das Stahlband kann beispielsweise aus einem härtbaren beziehungsweise vergütbaren, insbesondere manganhaltigen Stahlwerkstoff sein. Dieser kann neben Mangan weitere Mikrolegierungselemente beinhalten, wie beispielsweise Bor. Ein martensi- tisch härtbarer Bor-Mangan-Stahl kann insbesondere ein ferritisch-perlitisches Ausgangsgefüge bei Raumtemperatur aufweisen und hat vergleichsweise gute Hafteigenschaften für die aufzubringende Beschichtung. Der Stahlwerkstoff kann beispielsweise folgende Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhalten: Kohlenstoff (C) mit mindestens 0,15 % und höchstens 0,5 %, insbesondere höchstens 0,4 %; Mangan (Mn) mit mindestens 0,5 % und höchstens 5,0 %, insbesondere mindestens 0,8 % und höchstens 2,5 %; Aluminium (AI) mit höchstens 0,1 %; Silizium (Si) mit mindestens 0,1 % und höchstens 0,9 %, insbesondere höchstens 0,5 %; Chrom (Cr) mit mindestens 0,01 % und höchstens 1 ,0 %; Titan (Ti) mit höchstens 0,05 %, insbesondere mindestens 0,02 %; Bor (B) mit mindestens 0,0005 und höchstens 0,080 %, insbesondere mindestens 0,002 % und höchstens 0,006 %; Phosphor (P) mit höchstens 0,1 %, insbesondere höchstens 0,01 %; Schwefel (S) mit höchstens 0,05 %, insbesondere höchstens 0,01 ; optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1 ,55 % (1550 ppm); den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen.
Als optionale weitere Legierungselemente kann das Substrat jeweils in Gewichtsprozent insbesondere zumindest eines von: Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %, Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %, Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %, Molybdän (Mo) mit höchstens 1 ,0 %, Vanadium (V) mit höchstens 0,25 % beinhalten, ohne hierauf eingeschränkt zu sein. Der Masseanteil der optionalen Legierungselemente kann auch geringer sein, beispielsweise kann Molybdän auch mit höchstens 0,8 %, 0,5 % oder 0,25 % enthalten sein. Der Masseanteil der optionalen Legierungselemente beträgt in Summe maximal 1 ,55 %, insbesondere maximal 1 ,0 %, insbesondere maximal 0,8 %. Die optionalen Legierungselemente können insbesondere aus der Gruppe der Metalle gewählt sein. Das Legierungselement Niob bewirkt in vorteilhafter Weise eine feinkörnige Struktur eines aus der Legierung warmumgeformten Bauteils. Insbesondere im Zusammenwirken mit Molybdän, das ein Kornwachstum hemmen kann, ergibt sich eine besonders feinkörnige Struktur, was sich wiederum günstig auf die Festigkeit des hieraus hergestellten Bauteils auswirkt. Beispiele für verwendbare bor-manganhaltige Stahlwerkstoffe sind 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 oder 34MnB5.
Vorzugsweise wird das Warmband vor dem Beschichten gereinigt, was insbesondere chemisch, mechanisch oder elektrochemisch erfolgen kann. Beim Reinigen wird der durch den Warmwalzprozess an der Oberfläche entstandene feste Abbrand (Zunder) entfernt. Ein gängiges chemisches oder elektrochemisches Verfahren ist das Beizen, was beispielsweise in einer Durchlaufanlage erfolgen kann, bei der das Stahlband durch ein Säurebad gefördert wird. Wie oben bereits erwähnt, kann nach einer alternativen Verfahrensführung ein Warmband in einem Zwischenschritt zunächst auf konstante Dicke kaltgewalzt werden. Das so hergestellte Kaltband wird anschließend gereinigt, wie oben beschrieben, und beschichtet, wobei die Beschichtung in walzhartem Zustand des Stahlbands aufgebracht werden kann. Das Stahlband kann vor dem Beschichten beispielsweise eine Anfangsdicke von 1 ,5 bis 4,0 mm haben.
Die Bandzieltemperatur, auf die das Stahlband vor Eintauchen in das Schmelzebad gebracht wird, liegt beispielsweise über 580°C, insbesondere über 600°C. Als obere Grenze kann das Stahlband insbesondere auf eine Bandzieltemperatur von weniger als 620°C oder auch weniger als 610°C gebracht werden. Die Bandzieltemperatur umfasst insbesondere auch einen Zustand unmittelbar vor beziehungsweise beim Eintauchen in das Schmelzebad, das heißt die Eintauchtemperatur kann beispielsweise zwischen 580 und 620°C liegen. Die Bandzieltemperatur kann direkt durch Erwärmen auf die gewünschte Temperatur erreicht werden, oder indirekt durch Erwärmen auf eine höhere Temperatur und anschließendes Abkühlen auf Bandzieltemperatur.
Das Stahlband wird vorzugsweise im kontinuierlichen Verfahren erwärmt, beispielsweise mittels eines Induktionsofens oder eines Strahlrohrofens. Das Erwärmen kann in nur einer Aufheizstufe erfolgen, was besonders energieeffizient ist, und/oder unter konstant reduzierender Atmosphäre, das heißt bei niedrigem Sauerstoffanteil. Die Bandzieltemperatur (T3) kann sich beispielsweise auf die Temperatur des Stahlbandes am Ausgang beziehungsweise beim Verlassen des Ofens und/oder am Eingang beziehungsweise beim Eintritt in die Schmelze beziehen. In einem Induktionsofen kann das Erwärmen des Stahlbands auf die Bandzieltemperatur (T3) mit einer Geschwindigkeit (v) entlang einer Durchlauflänge (L) vorzugsweise in einer Atmosphäre mit einem Wasserstoffgehalt (H2) von mindestens 30 vol.-%, vorzugsweise mindestens 50 vol.-%, und/oder mit einem Sauerstoffgehalt (O2) von weniger als 10 ppm erfolgen. Dabei wird das Erwärmen insbesondere so durchgeführt, dass das Verhältnis aus dem Produkt von Bandzieltemperatur (T3 in °C), Durchlauflänge (L in m) des Induktionsofens und Wasserstoffgehalt (H2 in vol.-%) im Induktionsofen, und dem Produkt von Aufheizrate (f in °C/s) und Geschwindigkeit (v in m/s) des Stahlbands größer als 96 s2 und/oder kleiner als 192 s2 ist [96 s2 < (T3 * L * H2)/(t' * v) < 192 s2]. Das Stahlband kann bei induktiver Erwärmung mit einer Aufheizgeschwindigkeit von mehr als 30 K/s aufgeheizt werden, insbesondere über 50 K/s. Dies gilt vor allem für den Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600°C. Der Einheit K/s kann die Einheit °C/s gleichgesetzt werden. Die Aufheizdauer auf die Bandzieltemperatur (T3) kann in weniger als 60 Sekunden erfolgen. Durch die mit einzelnen oder mehreren der genannten Parameter durchgeführte induktive Erwärmung wird eine sehr gut beschichtbare Oberfläche erzeugt. Zusammen mit der geringen Beschichtungstemperatur von insbesondere 580 bis 620 °C, bevorzugt 600 bis 610°C, wird eine besonders dünne Diffusionszone erzeugt, die anschließend zu einer Verbesserung bei nachgelagerten Fertigungsprozessen beiträgt. Die Prozessführung auf Basis von induktiver Erwärmung in Kombination mit dem nachgelagerten Schmelztauschbeschichten kann auch als Heat-to-Coat-Verfahren bezeichnet werden. Eine induktive Erwärmung hat den Vorteil einer sehr kurzen Glühdauer, die unter 60 s liegen kann. Dies verkürzt Dauer für die Aktivierung beziehungsweise Säuberung der Oberfläche. Daher wird vorzugsweise mit Atmosphären mit einem vergleichsweise hohen Reduktionspotential geglüht, um eine ausreichende Benetzbarkeit der Schmelze gewährleisten zu können.
Es ist aber auch eine Verfahrensführung nach dem Sendzimir-Prozess möglich, die insbesondere für kaltgewalzte Stahlbänder zur Anwendung kommt. Da das durch das Kalzwalzen erzeugte walzharte Gefüge rekristallisiert werden muss, findet die Erwärmung vorzugsweise in einem Strahlrohrofen statt, der ausreichend groß ist, um das Material bei mehr als 700°C für mehrere Minuten rekristallisierend zu glühen. Durch die in diesem Ofen entsprechend eingestellte Atmosphäre (Wasserstoff-Gehalt, Taupunkt, etc.) und eine verhältnismäßig lange Glühdauer kann eine ausreichende Reinigung der Oberfläche stattfinden, um diese für den Beschichtungsprozess benetzbar zu machen. Das Erwärmen des Stahlbands auf die Bandzieltemperatur (T3) mittels Strahlrohrofen kann beispielsweise mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 K/s bis 30 K/s erfolgen. Die Glühdauer kann mehr als 120 Sekunden betragen. Insbesondere die Mangan- und Siliziumgehalte des zu beschichtenden Substrates haben einen großen Einfluss auf die Beschichtbarkeit des Werkstoffes, da sich während des Glühens Oxide der Legierungselemente bilden können, die die Benetzung der Aluminium-Silizium- Schmelze auf der Oberfläche behindern. Durch das notwendige Rekristallisieren wird eine Temperatur von über 700°C benötigt, was dazu führt, dass eine Kühlung zwischen Ofen und Eintauchen ins Schmelzbad notwendig wird, um die Temperatur des Schmelzbads unter den angestrebten 620°C zu halten. Insofern ist bei der Verwendung des Sendzimir-Verfahrens vorgesehen, dass anschließend eine Abkühlung erfolgt, um das Stahlband auf eine Eintauchtemperatur von unter 620°C zu bringen.
Nach dem Erwärmen durchläuft das Stahlband die Schmelze. Die Schmelze enthält vorzugsweise zumindest 85 Gewichtsprozent Aluminium, 5 bis 15 Gewichtsprozent Silizium, bis zu 5 Gewichtsprozent Eisen und optional ein oder mehrere andere Legierungselemente in geringeren Anteilen. Eine beispielhafte Zusammensetzung des Schmelzbads beziehungsweise der aufgebrachten Beschichtung kann bis zu 3 Gewichtsprozent Eisen, 12 bis 13 Gewichtsprozent Silizium, optional ein oder mehrere weitere Legierungselemente mit zusammen bis zu 1 ,5 Gewichtsprozent, und Rest Aluminium enthalten. Es versteht sich, dass ferner unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sein können. Der Anteil der anderen Legierungselemente, beispielsweise zumindest eines aus der Gruppe von Mn, Cr, Ti, B, P, S, Sr, Sb, Cu, Ni, Nb, Mo, V, kann zusammen beispielsweise bis zu 1 ,5 Gewichtsprozent betragen. Durch Hinzugabe von zusätzlichen Legierungsbestandteilen kann die Beschichtungslegierung insofern modifiziert werden, dass sich eine Schichtstruktur von intermetallischen Phasen einstellt, wobei entweder neben der Interdiffusionszone eine Silizium-reiche Phase in eine Aluminium-reiche Phase eingebettet ist, oder ein dreilagiger Schichtaufbau, bestehend aus der Interdiffusionszone und zwei Aluminium-Phasen, die sich im Eisen- und Siliziumgehalt unterscheiden. Die Vorbeschichtung wird vorzugsweise mit einer Dicke von mindestens 26 Mikrometern (pm), insbesondere mindestens 34 Mikrometern (pm), auf das Stahlband aufgebracht. Alternativ oder ergänzend wird die Vorbeschichtung vorzugsweise mit einer Dicke von höchstens 50 Mikrometern (pm), insbesondere höchstens 46 Mikrometern (pm), auf das Stahlband aufgebracht. Während des Schmelztauchbeschichtens finden Diffusionsprozesse zwischen dem Schmelzematerial und dem Warmbandmaterial statt, wobei eine Diffusionsschicht mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als sieben Mikrometern gebildet wird. Bei einer Dicke der Vorbeschichtung von 26 bis 50 Mikrometern ergibt sich eine Masseauflage der Beschichtung je Seite des Stahlbandes von etwa 78 bis 150 g/m2.
Nach einer möglichen Ausführungsform wird ein Stahlband verwendet, das eine verhältnismäßig hohe Rauheit aufweist, wofür sich Warmband besonders gut eignet, da es eine höhere Ausgangsrauheit als Kaltband hat. Vorzugsweise hat das verwendete Stahlband eine Rauheit, für die mindestens eines von folgendem gilt: die Rauheit Ra beträgt mindestens 0,8 und/oder höchstens 2,0 Mikrometer; die Rauheit Rz beträgt mindestens 4 und/oder höchstens 12 Mikrometer; die Rauheit Rmax beträgt mindestens 5 und/oder höchstens 15 Mikrometer. Durch eine verhältnismäßig hohe Rauheit kann die Dicke der aufzubringenden Vorbeschichtung erhöht werden. Dies wirkt in positiver Weise einer späteren Schichtdickenreduktion in einem gegebenenfalls nachgelagerten Fertigungsprozess, wie dem Flexiblen Walzen, entgegenwirken. Durch das Beschichten ändert sich die Rauheit geringfügig, so dass sich für das beschichtete Stahlband beispielsweise folgende Rauheitswerte ergeben können: Ra: 0,4 bis 3,0; Rz: 5 bis 15; Rmax: 8 bis 25.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts umfassend: Bereitstellen eines vorbeschichteten Stahlbands, das nach zumindest einer der oben genannten Ausführungen hergestellt ist; Flexibles Walzen des vorbeschichteten Stahlbands, wobei aufeinander folgende Abschnitte des vorbeschichteten Stahlbands unterschiedlich stark ausgewalzt werden; Herausarbeiten einer Platine aus dem flexibel gewalzten Stahlband; Erwärmen der Platine derart, dass das Basismaterial der Platine zumindest teilweise austenitisiert wird, wobei durch das Erwärmen Diffusionsprozesse zwischen dem Basismaterial und der Vorbeschichtung stattfinden; und Warmumformen der erwärmten Platine, wobei die erwärmte Platine umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahlprodukt mit Beschichtung erzeugt wird.
Dadurch, dass erfindungsgemäß vorbeschichtetes Bandmaterial verwendet wird, ist die Dicke der Diffusionsschicht des vorbeschichteten Stahlbandes relativ dünn. Auf diese Weise wird auch beim nachfolgenden Warmumformen das Wachstum der Diffusionszone verringert. Wie oben bereits erwähnt, ergibt sich durch die dünne Diffusionszone für die nachgelagerten Fertigungsprozesse eine verbesserte Verarbeitbarkeit. Die Reibung zwischen dem beschichteten Stahlband und dem jeweiligen Werkzeug ist reduziert. Beim Flexiblen Walzen verbessert sich die Walzbarkeit aufgrund geringerer Walzkräfte, was sich günstig auf den Verschleiß und die Lebensdauer auswirkt. Dasselbe gilt analog auf für das Warmformen, wo eine verringerte Reibung zwischen der Platine und dem Formwerkzeug analog zu geringeren Umformkräfte und einem verminderten Werkzeugverschleiß führt.
Beim Flexiblen Walzen wird Bandmaterial mit im Wesentlichen einheitlicher Blechdicke, insbesondere einheitlichem Dieken-Nennmaß, durch gezieltes Verändern des Walzspalts während des Prozesses zu Bandmaterial mit variabler Blechdicke über der Länge ausgewalzt, das also unterschiedliche Dieken-Nennmaße über der Länge hat. Die durch das Flexible Walzen erzeugten Abschnitte unterschiedlicher Dicke erstrecken sich quer zur Längsrichtung beziehungsweise Walzrichtung des Bandmaterials. Das Bandmaterial kann nach dem Flexiblen Walzen wieder zum Coil aufgewickelt und an anderer Stelle der Weiterverarbeitung zugeführt werden, oder es kann direkt weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Ablängen des Bandmaterials zu einzelnen Blechelementen.
Das Flexible Walzen kann mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke des vorbeschichten Stahlbands durchgeführt werden, insbesondere mit Abwalzgraden zwischen 3 % und 55 %. Durch das Flexible Walzen wird mit dem Stahlsubstrat auch die Dicke der Vorbeschichtung entsprechend reduziert. Zwischen dünnsten Abschnitten und dicksten Abschnitten des Bandmaterials können, je nach gewünschter Bauteilgeometrie, noch beliebig andere Dickenbereiche beziehungsweise Übergangsbereiche dazwischenliegen. Es versteht sich, dass zwischen dem Beschichten und dem Flexiblen Walzen weitere Schritte, wie Erwärmen, zum Coil auf- beziehungsweise vom Coil abwickeln, richten, reinigen oder dergleichen zwischengeschaltet sein können.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein warmumgeformtes Stahlprodukt mit einem Grundmaterial und einer Aluminium-Silizium-Beschichtung, das insbesondere gemäß einer der oben genannten Verfahrensführungen hergestellt ist, wobei das Stahlprodukt eine Dicke von 1 ,5 bis 4 mm aufweist; wobei das Grundmaterial die oben genannten Anteile an Legierungselementen enthält; wobei die Beschichtung Aluminium und Silizium enthält und eine Dicke von mindestens 20 Mikrometern (pm) und höchstens 50 Mikrometern (pm) aufweist; und wobei die Beschichtung im Übergangsbereich zum Grundmaterial eine Diffusionsschicht mit einer Dicke von weniger als 14 Mikrometern (14 pm) aufweist, darüber eine intermetallische Schicht und über der intermetallischen Schicht eine Oberflächenschicht. Die intermetallische Schicht kann einen Siliziumgehalt von 10 bis 18 Gewichtsprozent und die Oberflächenschicht von 5 bis 10 Gewichtsprozent aufweisen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband, insbesondere zum Herstellen von Warmformteilen, in einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 einen Ausschnitt des beschichteten Stahlbands nach dem Vorbeschichten in vergrößerter schematischer Darstellung;
Figur 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines beschichteten, gehärteten Formteils;
Figur 4 einen Ausschnitt des beschichteten und flexibel gewalzten Stahlsubstrats nach dem Warmumformen in vergrößerter schematischer Darstellung; und Figur 5 schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband, insbesondere zum Herstellen von Warmformteilen, in einer zweiten Ausführungsform.
Die Figuren 1 und 2 werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Stahlsubstrats. Das Stahlsubstrat wird in Bandform auch als Stahlband oder allgemein als Bandmaterial bezeichnet. In vereinzeltem Zustand wird das Stahlsubstrat auch als Platine bezeichnet.
Das Beschichtungsverfahren S10 umfasst die Teilschritte Erwärmen des Stahlbands 2 auf eine Bandzieltemperatur T3 von weniger als 625°C und Schmelztauchbeschichten des auf die Bandzieltemperatur erwärmten Stahlbands 2 in einer Schmelze 4 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, die auf eine Temperatur T4 von weniger als 620°C eingestellt wird.
Als Stahlsubstrat 2 soll im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein insbesondere martensitisch härtbares Stahlflachprodukt aus Bor-Mangan-Stahl mit umfasst sein, das beispielsweise die folgenden Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhalten kann: Kohlenstoff (C) mit mindestens 0,15 % und höchstens 0,5 %, insbesondere höchstens 0,4 %; Mangan (Mn) mit mindestens 0,5 % und höchstens 5,0 %, insbesondere mindestens 0,8 % und höchstens 2,5 %; Aluminium (AI) mit höchstens 0,1 %; Silizium (Si) mit mindestens 0,1 % und höchstens 0,9 %, insbesondere höchstens 0,5 %; Chrom (Cr) mit mindestens 0,01 % und höchstens 1 ,0 %;Titan (Ti) mit höchstens 0,05 %, insbesondere höchstens 0,01 %; Bor (B) mit mindestens 0,0005 und höchstens 0,080 %, insbesondere mindestens 0,002 % und höchstens 0,006 %; Phosphor (P) mit höchstens 0,1 %, insbesondere höchstens 0,01 %; Schwefel (S) mit höchstens 0,05 %, insbesondere höchstens 0,01 %; optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1 ,55 % (1550 ppm); den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen.
Unter diese Legierungszusammensetzung fallen beispielsweise bor-manganhaltige Stahlwerkstoffe wie 17MnB5, 20MnB5, 20MnB8, 22MnB5, 26MnB5 und 34MnB5. Der Stahlwerkstoff kann im Ausgangszustand eine Streckgrenze von beispielsweise 150 bis 1 100 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von mindestens 450 MPa und/oder bei Raumtemperatur ein insbesondere ferritisch-perlitisches Gefüge aufweisen. Die optionalen weiteren Legierungselemente können ausgewählt sein aus der Gruppe: Kupfer (Cu) mit höchstens 0,1 %; Nickel (Ni) mit höchstens 0,1 %; Niob (Nb) mit höchstens 0,1 %; Molybdän (Mo) mit höchstens 1 ,0 %; Vanadium (V) mit höchstens 0,25 %; ohne hierauf eingeschränkt zu sein, wobei sich die genannten Prozentangaben jeweils auf Masseprozent des Stahlsubstrats beziehen. Es können ein oder mehrere der genannten optionalen Legierungselemente verwendet werden. Der Masseanteil der optionalen Legierungselemente beträgt in Summe maximal 1 ,55 %, insbesondere maximal 1 ,0 %, vorzugsweise maximal 0,8 %.
Als Stahlsubstrat 2 kann Warmband oder Kaltband verwendet werden, wobei sich Stahlwarmband für einen effizienten Fertigungsprozess besonders gut eignet, da ein zusätzlicher Fertigungsschritt, nämlich das Kaltwalzen vor dem Beschichten entfallen kann. Vorzugsweise hat das verwendete Stahlband vor dem Beschichten eine Rauheit mit zumindest einem der folgenden Werte: Ra von mindestens 0,8 und/oder höchstens 2,0 Mikrometer; eine Rauheit Rz von mindestens 4 und/oder höchstens 12 Mikrometer; eine Rauheit Rmax von mindestens 5 und/oder höchstens 15 Mikrometer. Durch eine verhältnismäßig hohe Rauheit kann die Schmelze beim nachfolgenden Schmelztauchbeschichten besonders gut anhaften, so dass auch Vorbeschichtungen 8 mit größeren Dicken gut aufgebracht werden können.
Das Stahlsubstrat 2 kann beispielswiese mittels einer Haspel 5 von einem Coil 6 abgewickelt werden. Anschließend kann das Stahlsubstrat vor dem Beschichten optional in einer Reinigungseinrichtung 7 gereinigt werden. Das Reinigen kann beispielsweise chemisch, mechanisch oder elektrochemisch erfolgen.
Es ist erkennbar, dass der Beschichtungsprozess S10 kontinuierlich durchgeführt wird, wobei in der vorliegenden Ausführungsform das Erwärmen in einem Induktionsofen 3 erfolgt, ohne darauf eingeschränkt zu sein. In dem Induktionsofen 3 durchläuft das Stahlsubstrat verschiedene Ofenbereiche. Dabei erfolgt das Erwärmen des Stahlsubstrats auf die Bandzieltemperatur T3 mit einer Geschwindigkeit v entlang einer Durchlauflänge L vorzugsweise in einer Atmosphäre mit einem Wasserstoffgehalt (H2) von mindestens 30 vol.-%, vorzugsweise mindestens 50 vol.-%. Dabei wird das Erwärmen insbesondere so durchgeführt, dass das Verhältnis aus dem Produkt von Bandzieltemperatur T3, Durchlauflänge L des Induktionsofens und Wasserstoffgehalt (H2) im Induktionsofen 3, und dem Produkt von Aufheizrate t' und Geschwindigkeit v des Stahlbands 2 größer als 96 s2 und/oder kleiner als 192 s2 ist, das heißt 96 s2 < (T3 * L * H2)/(t’ *v ) < 192 s2. Die Durchlauflänge L kann beispielsweise 10 bis 30 m betragen und die Geschwindigkeit v kann beispielsweise zwischen 0,6 bis 2 m/s liegen. Das Stahlband kann bei induktiver Erwärmung mit einer Aufheizgeschwindigkeit von mehr als 30 K/s aufgeheizt werden, insbesondere über 50 K/s. Dies gilt vor allem für den Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600°C. Die Aufheizdauer auf die Bandzieltemperatur T3 kann in weniger als 60 Sekunden erfolgen.
Die Bandzieltemperatur, auf die das Stahlband 2 vor dem Eintauchen in das Schmelzebad 4 erwärmt wird, liegt beispielsweise über 580°C, insbesondere über 600°C und/oder bei weniger als 620°C, insbesondere weniger als 610°C.
Unmittelbar nach dem Erwärmen durchläuft das Stahlband 2 das Schmelzebad 4, in dem es mit einer Vorbeschichtung 8 versehen wird. Das Stahlband 2 kann beim Eintauchen zumindest etwa Bandzieltemperatur haben, das heißt die Eintauchtemperatur kann insbesondere über 580°C und/oder unter 620°C liegen. Die Legierungszusammensetzung der Schmelze 4 bestimmt die Zusammensetzung der auf das Stahlsubstrat 2 aufgebrachten Vorbeschichtung 8. Die Schmelze 4 beziehungsweise die Vorbeschichtung 8 enthält Aluminium (AI) mit zumindest 85 Gewichtsprozent und Silizium (Si) mit bis zu 15 Gewichtsprozent. Es versteht sich, dass andere Legierungselemente mit enthalten sein können, beispielsweise Eisen und/oder andere Legierungselemente mit insgesamt bis zu 5 Gewichtsprozent. Beim Schmelztauchverfahren durchläuft das Stahlsubstrat 2 in der Beschichtungsanlage 10 das Schmelzbad aus flüssigem Beschichtungsmaterial, welches an der Oberfläche des Substrats 2 anhaftet, so dass ein vorbeschichtetes Stahlsubstrat 2' erzeugt wird. Die Schmelze des Beschichtungsmaterials kann beispielsweise 5 bis 15 Gewichtsprozent Silizium, 2 bis 4 Gewichtsprozent Eisen, optional ein oder mehrere weitere Legierungselemente, wie beispielsweise zumindest eines aus der Gruppe von Mn, Cr, Ti, B, P, S, Sr, Sb, Cu, Ni, Nb, Mo, V, von zusammen bis zu 1 ,5 Gewichtsprozent, und als Rest Aluminium sowie nicht vermeidbare Verunreinigungen enthalten.
Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Silizium mit einem Anteil von 12 bis 13 Gewichtsprozent besonders vorteilhaft ist. Der niedrigste Schmelzpunkt einer Alumi- nium-Silizium-Legierung befindet sich bei eutektischer Zusammensetzung bei einem Gehalt von ca. 12,5 bis 12,7 Gewichtsprozent Silizium und liegt bei 577 °C. Wird die Temperatur des Beschichtungsbades im Prozess möglichst niedrig gehalten und gleichzeitig mit einer effektiven Kühlung gearbeitet, kann das Wachstum der Fe-Al- Diffusionszone verlangsamt werden, da die Bildung dieser Phasen auf dem Prinzip der Diffusion beruht, welche einer starken Temperaturabhängigkeit unterliegt. Für eine gute Benetzbarkeit des Stahlbandes 2 mit der Beschichtungslegierung 8 kann eine vorherige Reduzierung der Stahloberfläche von Oxiden sorgen. Die Reduktion der Oberfläche unterliegt einer thermischen Abhängigkeit: Durch eine niedrigere Temperatur im reduzierenden Teil des Ofens 3 bei ca. 300 bis 625 °C und einer relativ kurzen Ofenlänge und damit einhergehend kurzen Verweilzeit bei diesen Temperaturen, verbleibt relativ wenig Zeit, die Oberfläche von Oxiden zu reduzieren. Daher ist es günstig, die Ofenatmosphäre einsprechend einzustellen sowie im Einlaufbereich des Ofens 3 mit sehr hohen Aufheizraten von mehr als 20 K/s, bevorzugt mehr als 50 K/s zu glühen, um eine Oxidation in diesem Bereich des Ofens 3 weitestgehend zu vermeiden. Es wird vorzugsweise eine Ofenatmosphäre mit O2-Gehalten von weniger als 10 ppm, insbesondere weniger als 6 ppm, sowie H2O-Gehalte von weniger als 500 ppm, insbesondere weniger als 200 ppm, eingestellt. Weiterhin können im Ofenrüssel 12 hohe H2-Gehalte eingeblasen werden, um gute Reduktionsbedingungen zu erzielen.
Die Schmelze 4 hat eine Temperatur T4 von unter 620°C. Durch das Schmelztauchbeschichten unterhalb der genannten Temperatur T4 sind die Diffusionsvorgänge zwischen der Schmelze 4 und dem Stahlband 2 relativ kurz beziehungsweise gering, so dass sich eine verhältnismäßig dünne Vordiffusionsschicht ausbildet. Figur 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines entsprechend vorbeschichteten Bandmaterials 2', das im Übergang zwischen Substrat 2 und Vorbeschichtung 8 eine dünne Diffusionszone 9 von weniger als sieben Mikrometern ausgebildet wird. Die Schichtdicke der Vorbeschichtung 8 kann beispielsweise so eingestellt werden, dass die Reduktion der Schichtdicke durch einen nachgelagerten Fertigungsprozess, wie Flexibles Walzen ausgeglichen wird, um den Korrosionsschutz zu verbessern. Außen befindet sich die Vorbeschichtung 8, die eine Mindestdicke von 26 Mikrometern, insbesondere mindestens 34 Mikrometern, und/oder eine maximale Dicke von 50 Mikrometern aufweisen kann, insbesondere von bis zu 46 Mikrometern. Bei einer Dicke der Vorbeschichtung von 26 bis 50 Mikrometern ergibt sich eine Masseauflage der Beschichtung je Seite des Stahlbandes von etwa 78 bis 150 g/m2. Die Kombination aus Stahlsubstrat 2 mit Vorbeschichtung ist mit Bezugszeichen 2‘ versehen. Die mittels der oben genannten Parameter durchgeführte induktive Erwärmung trägt zur Erzeugung einer sehr gut beschichtbaren Oberfläche bei. Zusammen mit der geringen Beschichtungstemperatur von insbesondere 580 bis 620 °C, bevorzugt 600 bis 610°C, wird eine besonders dünne Diffusionszone erzeugt, die anschließend zu einer Verbesserung bei nachgelagerten Fertigungsprozessen beiträgt.
Nach dem Durchlaufen des Schmelzebads 4 durch die Beschichtungseinheit 10 kann das beschichtete Stahlband 2' optional eine Düseneinheit 13 durchlaufen, mit der überschüssiges flüssiges Beschichtungsmaterial von der Oberfläche abgeblasen wird. In einer nachgelagerten Kühleinheit 14 kann das beschichtete Stahlsubstrat in einer sogenannten Luftkühlstrecke gekühlt werden. Anschließend kann das Stahlband 2' zur Verbesserung der Oberfläche gegebenenfalls in einer Dressiereinheit 15 dressiert werden. Die Dressiereinheit umfasst mehrere Dressierwalzen 16, 16'. Ferner kann das beschichtete Stahlsubstrat 2' in einer Richteinheit 17 mittels mehrerer Rollen 18 gerichtet werden. Anschließend kann das beschichtete Stahlband 2' zu einem Coil 5' in einer Haspel 6' aufgehaspelt werden.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Formteils aus einem beschichteten Stahlsubstrat 2', das gemäß dem in Figur 1 und 2 beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.
Nach dem Aufbringen der Vorbeschichtung 8 im Verfahrensschritt S10 wird das beschichtete Stahlsubstrat 2‘ im Schritt S20 mittels einer Walzeinheit 19 flexibel gewalzt. Hierfür wird das beschichtete Stahlband 2‘, das vor dem Flexiblen Walzen eine weitestgehend konstante Blechdicke über der Länge aufweist, mittels Walzen 20, 21 derart gewalzt, das es längs der Walzrichtung eine variable Blechdicke erhält. Das beschichtete und flexibel gewalzte Stahlsubstrat ist mit dem Bezugszeichen 22 versehen.
Während des Walzens wird der Prozess überwacht und gesteuert, wobei die von einer Blechdickenmessung 23 ermittelten Daten als Eingangssignal zur Steuerung der Walzen 20, 21 verwendet werden. Das Flexible Walzen wird entsprechend dem gewünschten Solldickenprofil einer aus dem Bandmaterial 22 zu schneidenden Platine beziehungsweise einem hieraus herzustellenden Bauteil durchgeführt. Dabei kann das Flexible Walzen mit Abwalzgraden von mindestens 1 % und/oder maximal 60 % ausgehend von der Anfangsdicke des vorbeschichten Stahlsubstrats 2‘ durchgeführt werden, insbesondere mit Abwalzgraden zwischen 3 % und 55 %. Die Vorbeschichtung 8 kann nach dem Flexiblen Walzen in dünneren ersten Abschnitten eine reduzierte erste Dicke von insbesondere weniger als 20 Mikrometern, und in dickeren zweiten Abschnitten eine reduzierte zweite Dicke von insbesondere mehr als 33 Mikrometern, vorzugsweise von mehr als 36 Mikrometern, aufweisen.
Nach dem Flexiblen Walzen kann das Bandmaterial 22 wieder zum Coil 5' aufgewickelt werden, so dass es zu einer nachfolgenden Bearbeitungsstation transportiert werden kann. Nach dem Walzprozess kann das Stahlband 22 in einem nachfolgenden Verfahrensschritt geglättet werden, was in einer Bandrichtvorrichtung 26 erfolgt. Der Verfahrensschritt des Glättens ist optional und kann auch weggelassen werden.
Nach dem Flexiblen Walzen (S20) beziehungsweise Glätten (falls vorgesehen) wird das beschichtete und flexibel gewalzte Stahlband 22 im Verfahrensschritt S30 vereinzelt. Dabei werden aus dem Stahlband 22 einzelne Blechplatinen 32 herausgearbeitet, beispielsweise mittels einer Stanz- und/oder Schneidvorrichtung 24. Je nach Form der zu fertigenden Blechplatinen 32 können diese aus dem Bandmaterial 22 als Formschnitt ausgestanzt werden, wobei ein nicht weiterverwendeter Rand als Schrott wegfällt, oder das Bandmaterial 22 kann einfach in Teilstücke abgelängt werden.
Die Platinen 32, die im Ausgangszustand bei Raumtemperatur ein insbesondere ferri- tisch-perlitisches Gefüge haben, werden in einem nachfolgenden Schritt S40 warmumgeformt, was auch als Presshärten bezeichnet werden kann. Beim Warmumformen beziehungsweise Presshärten wird die Platine 32 auf eine Temperatur erwärmt, die in der Regel oberhalb der AC1 beziehungsweise AC3-Temperatur des Werkstoffs liegt, beispielsweise zwischen 750°C bis 1000°C. Das Erwärmen kann durch geeignete Verfahren durchgeführt werden, wie beispielsweise mittels induktiver Erwärmung, konduktiver Erwärmung, Erwärmung im Rollenherdofen, Kontakterwärmung durch heiße Platten, Infrarot, oder andere bekannte Verfahren. Durch das Erwärmen wird das anfangs ferritisch-perlitische Gefüge zumindest teilweise in Austenit umgewandelt, was auch als Austenitisieren bezeichnet wird. Die Haltezeit zum Austenitisieren der beschichteten Platine 32 hängt von der gewählten Temperatur ab und kann zwischen 4 und 10 Minuten liegen. Nach dem Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur wird die Platine 32 anschließend in ein Warmformwerkzeug 25 eingelegt und hierin umgeformt und derart schnell abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt, dass zumindest teilweise ein martensitisches Härtegefüge im so hergestellten Formteil 42 entsteht.
Das Warmumformen (S40) kann nach einer ersten Möglichkeit als direkter Prozess durchgeführt werden. Dabei wird die Platine 32 direkt auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend zur gewünschten Endkontur in einem Schritt warmumgeformt. Ein vorhergehendes (kaltes) Vorformen findet hier nicht statt. Das Warmumformen kann nach einer zweiten Möglichkeit auch als indirekter Prozess durchgeführt werden, der die Teilschritte Kaltvorformen, anschließendes Erwärmen des kalt vorgeformten Bauteils auf Austenitisierungstemperatur sowie anschließendes Warmumformen zur Erzeugung der Endkontur des Formteils umfasst.
Aufgrund der im Rahmen des Warmumformens durchgeführten Erwärmung der Platine 32 finden weitere Diffusionsprozesse zwischen dem Grundmaterial des Stahlsubstrats 2 und dem Vorbeschichtungsmaterial 8 statt. Dabei diffundiert Eisen aus dem Stahlsubstrat 2 in das Beschichtungsmaterial 8, so dass die Dicke der Beschichtung 8 gegenüber der nach dem Flexiblen Walzen vorliegenden Dicke insgesamt zunimmt, wobei sich unterschiedliche Schichten 28a, 28b, 28c, 28d ausbilden. Der Schichtaufbau eines fertig hergestellten Formteils 42 ist schematisch in Figur 4 gezeigt. Von außen nach innen können sich im Wege des Warmumformens insbesondere folgende Schichten ausbilden: eine Oberflächenschicht 28a insbesondere mit einem Anteil an Eisen von 34 bis 45 %, Aluminium von 50 bis 60 % und Silizium von 5 bis 10 %; eine Intermetallische Schicht insbesondere mit einem Anteil an Eisen von 45 bis 60 %, Aluminium von 25 bis 40 % und Silizium von 10 bis 18 %; eine Zwischenschicht 28c insbesondere mit einem Anteil an Eisen von 39 bis 47 %, Aluminium von 53 bis 61 % und Silizium von 0 bis 2 %; und eine Interdiffusionsschicht 28d insbesondere mit einem Anteil an a-Eisen beziehungsweise Eisen von 86 bis 95 %, Aluminium von 4 bis 10 %, Silizium von 0 bis 5 %, jeweils in Gewichtsprozent.
Vorzugsweise hat die Beschichtung 28 des warmumgeformten Erzeugnisses 42 in den dünneren ersten Abschnitten eine Beschichtungs-Enddicke von mehr als 15 Mikrometern, insbesondere mehr als 20 Mikrometern. In den dickeren zweiten Abschnitten kann die Beschichtung 28 nach dem Erwärmen beziehungsweise Warmumformen eine zweite Enddicke insbesondere von mehr als 30 Mikrometern, vorzugsweise mehr als 35 Mikrometern aufweisen. Die Diffusionsschicht 28d des Formteils 42 hat eine Dicke von vorzugsweise weniger als 14 Mikrometern (14 gm).
Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Stahlsubstrats in einer abgewandelten Ausführungsform. Das vorliegende Verfahren entspricht weitestgehend dem Verfahren gemäß Figur 1 und 2, auf deren Beschreibung insofern verwiesen wird. Dabei sind gleiche beziehungsweise einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in den obigen Figuren.
Eine Besonderheit bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 liegt darin, dass das Erwärmen im Wege eines sogenannten Sendzimir-Prozesses erfolgt, welches sich insbesondere für kaltgewalzte Stahlbänder 2 eignet. Dabei findet das Erwärmen in einem Strahlrohrofen 3 statt, der ausreichend groß ist, um das Material bei mehr als 700°C für mehrere Minuten rekristallisierend zu glühen. Im Strahlrohrofen 3 wird eine Atmosphäre (Wasserstoff-Gehalt, Taupunkt, etc.) und eine verhältnismäßig lange Glühdauer so eingestellt, dass eine ausreichende Reinigung der Oberfläche erfolgt, um das Stahlband 2 für den Beschichtungsprozess benetzbar zu machen. Das Erwärmen des Stahlbands 2 auf die Bandzieltemperatur T3 mittels Strahlrohrofen 3 erfolgt insbesondere mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 K/s bis 30 K/s. Die Glühdauer kann mehr als 120 Sekunden betragen. Durch das notwendige Rekristallisieren wird eine Temperatur von über 700°C benötigt. Daher ist zwischen Ofen 3 und Eintauchen ins Schmelzbad 4 eine Kühlung 27 vorgesehen, um das Stahlband auf die Bandzieltemperatur zu kühlen, die ein Aufwärmen des Schmelzbads über 620°C verhindert. Im Übrigen entspricht das Verfahren nach Figur 5 dem oben beschriebenen Verfahren, auf dessen Beschreibung abkürzend verwiesen wird. Bezugszeichenliste
2 Stahlsubstrat
3 Ofen
4 Schmelze
5, 5’ Coil
6, 6’ Haspel
7 Reinigungseinheit
8 Vorbeschichtung
9 Vordiffusionsschicht
10 Beschichtungseinheit
12 Ofenrüssel
13 Düseneinheit
14 Kühleinheit
15 Dressiereinheit
16, 16’ Dressierwalzen
17 Richteinheit
18 Rollen
19 Walzeinheit
20 Walzen
21 Walzen
22 Bandmaterial
23 Dickenmesseinheit
24 Schneidvorrichtung
25 Warmformwerkzeug
26 Richtvorrichtung
27 Kühlung
28 Beschichtung
28a, b, c, d Schichten
32 Platine
42 Formteil
S10-S40 Schritte

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen von beschichtetem Stahlband, umfassend:
Erwärmen eines Stahlbands (2) aus einem martensitisch härtbaren Bor-Man- gan-Stahl auf eine Bandzieltemperatur (T3) von mehr als 580°C und weniger als 625°C, und
Schmelztauchbeschichten des auf die Bandzieltemperatur (T3) erwärmten Stahlbands (2) in einer Schmelze (4), die zumindest Aluminium und Silizium enthält, wobei die Schmelze (4) eine Temperatur (T4) von weniger als 620°C aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband (2) ein Stahlwarmband ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband (2) auf eine Bandzieltemperatur (T3) von weniger als 620°C und mehr als 600°C, erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Stahlbands (2) auf die Bandzieltemperatur (T3) im kontinuierlichen Verfahren mit einer Geschwindigkeit (v) in einem Induktionsofen entlang einer Durchlauflänge (L) in einer Atmosphäre mit einem Wasserstoffgehalt (H2) von mindestens 30 vol.-% und einem Sauerstoffgehalt (O2) von weniger als 10 ppm erfolgt, wobei das Erwärmen derart durchgeführt wird, dass das Verhältnis aus dem Produkt von Bandzieltemperatur (T3) in Grad Celsius, Durchlauflänge (L) des Induktionsofens in Meter und Wasserstoffgehalt (H2) im Induktionsofen in Volumenprozent, und dem Produkt von Aufheizrate (f) in Grad Celsius pro Sekunde und Geschwindigkeit (v) des Stahlbands () in Meter pro Sekunde größer als 96 s2 und kleiner als 192 s2 ist. [96 s2 < (T3 * L * H2)/(t' * v) < 192 s2] Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband (2) mit einer Aufheizrate (f) von mehr als 30 K/s aufgeheizt wird, insbesondere von mehr als 50 K/s, und/oder mit einer Aufheizdauer von weniger als 60 Sekunden auf die Bandzieltemperatur (T3) erwärmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Stahlbands (2) auf die Bandzieltemperatur (T3) im kontinuierlichen Verfahren mittels eines Strahlrohrofens erfolgt, in der das Stahlband (2) mit einer Aufheizrate (f) von 10 K/s bis 30 K/s und einer Glühdauer von mehr als 120 Sekunden aufgeheizt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband (2) in einer Atmosphäre erwärmt wird, die in einem letzten Drittel der Durchlauflänge (L) mindestens 30 vol.-% Wasserstoff (H2) enthält. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schmelztauchbeschichtens Diffusionsprozesse zwischen der Schmelze (4) und dem Stahlband (2) stattfinden, wobei eine Diffusionsschicht (28d) mit einer Dicke von weniger als sieben Mikrometern (7 pm) gebildet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbeschichtung (8) mit einer Dicke (d8) von mindestens 26 Mikrometern (pm), insbesondere mindestens 34 Mikrometern (pm), und höchstens 50 Mikrometern (pm), insbesondere höchstens 46 Mikrometern (pm), auf das Stahlband (2) aufgebracht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Stahlband (2) mit einer Oberflächenrauigkeit Ra von mindestens 0,8 Mikrometern und/oder Rz von mindestens 4 Mikrometern und/oder Rmax von 5 bis 15 Mikrometern verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband (2) folgende Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent beinhaltet:
Kohlenstoff (C) mit mehr als 0,15 % und weniger als 0,5 %;
Mangan (Mn) mit mehr als 0,5 % und weniger als 5,0 %;
Aluminium (AI) mit weniger als 0,1 %;
Silizium (Si) mit mehr als 0,1 % und weniger als 0,9 %;
Chrom (Cr) mit mehr als 0,01 % und weniger als 1 ,0 %;
Titan (Ti) mit weniger als 0,05 %;
Bor (B) mit mehr als 0,0005 und weniger als 0,080 %;
Phosphor (P) mit weniger als 0,1 %;
Schwefel (S) mit weniger als 0,05 %; optional weitere Legierungselemente aus der Gruppe von Metallen mit einem Anteil von bis zu 1 ,55 %; den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Schmelze (4) folgende Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent enthält:
5 bis 15 Gewichtsprozent Silizium, bis zu 5 Gewichtsprozent Eisen, optional ein oder mehrere weitere Legierungselemente mit zusammen bis zu 1 ,5 Gewichtsprozent, und
Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei als weitere Legierungselemente insbesondere zumindest eines aus der Gruppe von Mn, Cr, Ti, B, P, S, Cu, Ni, Nb, Mo, V, Sr und Sb verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (4) 12,0 bis 13,0 % Silizium enthält. Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlprodukts umfassend:
Bereitstellen eines vorbeschichteten Stahlbands (2), das nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist;
Flexibles Walzen des vorbeschichteten Stahlbands (2), wobei aufeinander folgende Abschnitte des vorbeschichteten Stahlbands (2) unterschiedlich stark ausgewalzt werden;
Herausarbeiten einer Platine (32) aus dem flexibel gewalzten Stahlband (22);
Erwärmen der Platine (32) derart, dass das Basismaterial der Platine (32) zumindest teilweise austenitisiert wird, wobei durch das Erwärmen Diffusionsprozesse zwischen dem Basismaterial und der Vorbeschichtung (8) stattfinden; und
Warmumformen der erwärmten Platine (32), wobei die erwärmte Platine (32) umgeformt und derart schnell abgekühlt wird, dass ein gehärtetes Stahlprodukt (42) mit Beschichtung (28) erzeugt wird. Warmumgeformtes Stahlprodukt, insbesondere hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 14, mit einem Grundmaterial und einer Aluminium-Silizium-Beschichtung (28), wobei das Stahlprodukt (42) eine Dicke von 1 ,5 bis 4 mm aufweist, wobei das Grundmaterial folgende Anteile an Legierungselementen jeweils in Gewichtsprozent enthält:
Kohlenstoff (C) mit mehr als 0,15 % und weniger als 0,5 %;
Mangan (Mn) mit mehr als 0,5 % und weniger als 5,0 %;
Aluminium (AI) mit weniger als 0,1 %;
Silizium (Si) mit mehr als 0,1 % und weniger als 0,9 %;
Chrom (Cr) mit mehr als 0,01 % und weniger als 1 ,0 %;
Titan (Ti) mit weniger als 0,05 %;
Bor (B) mit mehr als 0,0005 und weniger als 0,080 %;
Phosphor (P) mit weniger als 0,1 %;
Schwefel (S) mit weniger als 0,05 %; optional weitere Legierungselemente mit einem Anteil von bis zu 1 ,55 %; den Rest Eisen (Fe) und unvermeidbare Verunreinigungen; wobei die Beschichtung (28) Aluminium und Silizium enthält und eine Dicke von mindestens 20 Mikrometern (pm) und höchstens 50 Mikrometern (pm) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (28) eine Diffusionsschicht (28d) mit einer Dicke von weniger als 14 Mikrometern (14 pm) aufweist.
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