DE102009053260A1

DE102009053260A1 - Verfahren zum Beschichten von Stahlbändern und beschichtetes Stahlband

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Publication number: DE102009053260A1
Application number: DE102009053260A
Authority: DE
Inventors: Daniela Dr. John; Manuel Dr. Otto; Friedrich Dr. Luther; Christian Dr. Fritzsche
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: RU2012122998A; KR20120097503A; RU2544321C2; WO2011054332A2; US20120305139A1; DE102009053260B4; EP2496722A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Stahlbändern mit einer Grundwerkstoffzusammensetzung (in Gew.-%): C 0,04-1,0; Mn 9,0-30,0; Al 0,05-15,0; Si 0,05-6,0; Cr ≦ 6,5; Cu ≦ 4,0; Ti + Zr ≦ 0,7; Nb + V ≦ 0,5, Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer stahlbegleitender Elemente, bei dem das Stahlband einer Glühung unterzogen und anschließend mit einem aus Zink oder zinkhaltiger Legierung gebildeten Überzug elektrolytisch beschichtet wird.
Dabei wird im Zuge des Glühens des Stahlbandes bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C in einer N₂-H₂-haltigen Atmosphäre durch Reaktion mit den im Stahl enthaltenen Elementen oberflächennah ein mit Nitriden angereicherter Bereich ausgebildet, der beim Schweißen des beschichteten Stahlbandes das Eindringen von schmelzflüssigem Zink in das Grundmaterial verhindert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Stahlband, bei dem im oberflächennahen Bereich eine entsprechende Nitrierschicht ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Stahlbändern mit (in Gew.-%) C 0,04–1,0; Mn 9,0–30,0; Al 0,05–15,0; Si 0,05–6,0; Cr ≤ 6,5; Cu ≤ 4; Ti + Zr ≤ 0,7; Nb + V ≤ 0,5, Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer stahlbegleitender Elemente, bei dem das Stahlband einer letzten Glühung unterzogen und anschließend mit einem aus reinem Zink oder einer Zinklegierung gebildeten Überzug elektrolytisch beschichtet wird. Das Stahlband kann dabei sowohl kalt- wie auch warmgewalzt sein.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Stahlband, das ein entsprechend zusammengesetztes Grundmaterial und einen darauf elektrolytisch aufgetragenen metallischen Überzug aufweist.
Stähle mit hohen Gehalten an Mangan, Aluminium und/oder Silizium eigenen sich aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften bezüglich Dehnung und Festigkeit für die Verwendung in Transportfahrzeugen, insbesondere im Bereich des Automobilbaus und sind als HSD^®-Stähle (High Strength and Ductlity) bekannt. Insbesondere zeichnen sich diese Stähle im Vergleich zu üblichen Stählen durch ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht aus, so dass der Einsatz dieser Leichtbaustähle zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung im Karosseriebau beiträgt.
Stähle mit hohen Mangan-Gehalten von 7–30 Gew.-% sind z. B. aus der DE 102 59 230 A1 , der DE 199 00 199 A1 sowie der DE 10 2004 061 284 A1 bekannt. Aus diesen Stählen erzeugte Flachprodukte weisen bei hohen Festigkeiten eine hohe Gleichmaßdehnung auf. Diesen Vorteilen steht jedoch gegenüber, dass Stähle mit höheren Mangan-Gehalten zu Lochfraß und Flächenkorrosion neigen und ohne den Zusatz von Aluminium und/oder Silizium eine geringe Resistenz gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion aufweisen. Daher wurde bereits vorgeschlagen, auch Flachprodukte aus hochmanganhaltigen Stählen in an sich bekannter Weise mit einem metallischen Überzug zu versehen, der den Stahl vor korrosivem Angriff schützt.
Beispielsweise ist aus der DE 199 00 199 A1 bekannt, die Oberfläche des Flachproduktes mit Aluminium anzureichern und/oder zu beschichten. In der WO 2007/075006 A1 wird ein hochmanganhaltiger Stahl vorgeschlagen, aus dem in bekannter Weise ein Flachprodukt erzeugt wird, das nach der letzten Schlussglühung wahlweise elektrolytisch oder durch Schmelztauchen beschichtet wird. Vergleichbar wird in der WO 2006/042930 A1 ebenfalls ein hochmanganhaltiger Stahl vorgeschlagen, dessen daraus erzeugtes Flachprodukt mittels einer Schmelztauchbehandlung beschichtet wird.
Nachteilig bei den bekannten zinkbeschichteten hochmanganhaltigen Stählen ist die bislang unzureichende Schweißbarkeit, die durch das verstärkte Auftreten von Flüssigmetallversprödung in der Schweißzone beim Schweißen von verzinkten Werkstoffen gekennzeichnet ist.
Unter Schweißen werden im Folgenden alle Widerstands- wie auch Schmelz- oder Strahlschweißverfahren verstanden, bei denen neben dem Grundmaterial der Zinküberzug lokal verflüssigt wird.
In Folge des Schweißens kommt es dabei im Grundmaterial zu einer Infiltration der Korngrenzen durch verflüssigtes Zinkmaterial des Überzugs (Flüssigmetallversprödung). Diese Infiltration bewirkt, dass das Grundmaterial im Umfeld der Schweißzone seine Festigkeit und Duktilität in dem Maße verliert, dass die Schweißverbindung bzw. das an die Schweißverbindung angrenzende Grundmaterial die gestellten Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften nicht mehr erfüllt, wodurch die Gefahr des vorzeitigen Versagens der Schweißverbindung steigt.
Zur Verbesserung der Schweißbarkeit ist es für schmelztauchbeschichtete hochmanganhaltige Leichtbaustähle aus der DE 10 2005 008 410 B3 bekannt, vor der Schlussglühung auf das Kaltband eine Aluminiumschicht mittels PVD (Physical Vapor Deposition) aufzutragen, auf die nach der letzten Glühung der metallische Überzug aufgebracht wird. Die Al-Zwischenschicht soll verhindern, dass beim Schweißen Zink aus der Schmelztauchbeschichtung in das Gefüge des Stahlwerkstoffs eindringt und zur Flüssigmetallversprödung führt. Das Aufbringen einer solchen Zwischenschicht ist sehr kostenaufwändig, zudem wird über eine Verbesserung der Schweißbarkeit bei elektrolytisch verzinkten hochmanganhaltigen Stählen keine Aussage getroffen.
Ausgehend vom vorstehend erläuterten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein kostengünstiges Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, die Schweißbarkeit elektrolytisch verzinkter hochmanganhaltige Stahlbänder ohne Aufbringen einer weiteren metallischen Zwischenbeschichtung deutlich zu verbessern.
Die gestellte Aufgabe wird in der Weise gelöst, dass bei Stahlbändern die (in Gew.-%) C 0,04–1,0; Mn 9–30; Al 0,05–15,0; Si 0,05–6,0; Cr ≤ 6,5; Cu ≤ 4%; Ti + Zr ≤ 0,7; Nb + V ≤ 0,5; Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer stahlbegleitender Elemente aufweisen, im Zuge des Glühens des Stahlbandes bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C unter einer N2-H2-haltigen Atmosphäre durch Reaktion mit den im Stahl enthaltenen Elementen oberflächennah ein mit Nitriden angereicherter Bereich ausgebildet wird, der beim Schweißen des beschichteten Stahlbandes das Eindringen von schmelzflüssigem Zink in das Grundmaterial verhindert.
Bei Versuchen hat sich überraschend herausgestellt dass sich durch Ausbildung der erfindungsgemäßen oberflächennahen Nitrierschicht der Korngrenzenangriff durch das schmelzflüssige Zink beim Schweißen von hochmanganhaltigen Stählen wirksam verhindern lässt. Bei der erfindungsgemäßen Glühung reagiert u. a. das im Stahl enthaltene Aluminium mit dem Stickstoff aus der Glühatmosphäre oberflächennah zu Aluminiumnitrid. Die beim Glühen des Stahlbandes entstehenden oberflächennahen Nitride bilden sich dabei unter anderem auch im Bereich der Korngrenzen aus, wodurch eine wirksame Barriere geschaffen wird, die eine Infiltration durch das schmelzflüssige Zink beim Schweißen verhindert.
Wesentliches Kriterium für eine verbesserte Schweißbarkeit hochmanganhaltiger Stähle ist eine definiert eingestellte Nitriertiefe, die einerseits so groß sein muss, dass ein Korngrenzenangriff durch das schmelzflüssige Zink verhindert wird, andererseits aber so klein sein muss, dass die geforderten technologischen Kennwerte des Stahlbandes weiterhin eingehalten werden. Dies geschieht erfindungsgemäß durch die gezielte Wahl von Glühtemperatur, Ofenatmosphäre und Haltezeit.
Bei Versuchen stellte sich heraus, dass die Dicke der Nitrierschicht im oberflächennahen Bereich des Grundmaterials mindestens 1 μm betragen aber eine Dicke von 50 μm nicht überschreiten sollte.
Nitriertiefen zwischen 5 und 25 μm und insbesondere zwischen 5 und 15 μm haben sich als vorteilhaft hinsichtlich einer verbesserten Schweißbarkeit und einer nur geringen Beeinflussung der technologischen Kennwerte des Stahlbandes herausgestellt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Aluminiumnitridschicht wird bei Glühtemperaturen ab etwa 850°C erreicht. Bei höherer Glühtemperatur verringert sich die Glühzeit, die zum Erreichen der benötigten Nitriertiefe erforderlich ist. Bei geringerer Glühtemperatur muss die Glühzeit entsprechend verlängert werden um die gleiche Nitriertiefe einzustellen. Als vorteilhaft haben sich bei den Versuchen an Kaltbändern Glühtemperaturen von 900–950°C herausgestellt, wobei sich bei den üblichen Durchlaufzeiten in Konti-Glühanlagen die geforderten Nitriertiefen eingestellt haben.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen sich zum Einen in einer wesentlich verbesserten Schweißbarkeit von elektrolytisch verzinktem hochmanganhaltigem Stahl, zum Anderen lässt sich die erfindungsgemäße Ausbildung der Nitrierschicht im Rahmen der ohnehin erforderlichen Glühung des Stahlbandes nur durch eine entsprechende Glühatmosphäre und die entsprechende Anpassung der Glühparameter sehr kostengünstig, mit bekannten und vorhandenen großtechnischen Aggregaten realisieren.
Beispielhaft wird auf einer Bandgießanlage ein Stahl mit der Zusammensetzung (in Gew.-%): C 0,7; Mn 15; Al 2,5; Si 2,5; Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer stahlbegleitender Elemente zu einem Vorband gegossen und dieses zu einem Warmband gewalzt. Das Warmband wird in üblicher Weise gebeizt, anschließend kaltgewalzt und der erfindungsgemäßen Glühbehandlung zur Erzeugung einer oberflächennahen Nitrierschicht unterzogen. Danach wird das Band einer alkalischen Reinigung sowie einer Aktivierung der Oberfläche unterzogen, bevor in bekannter Weise elektrolytisch Zink aufgetragen wird.
Das auf diese Weise verzinkte Kaltband wird den Anforderungen nach einem ausreichenden Korrosionsschutz gerecht und lässt sich insbesondere auch gut schweißen, ohne dass eine Flüssigmetallversprödung auftritt.
Zudem weist es neben hervorragenden technologischen Eigenschaften, wie sehr hohem Umformvermögen, geringer Kantenrissempfindlichkeit, hohem Kraftniveau im Scher- und Kopfzug von widerstandspunktgeschweißten Verbindungen auch eine hohe Dauerfestigkeit und eine sehr hohe Resistenz gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion im Vergleich zu ähnlich hochfesten Werkstoffen auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259230 A1 [0004]
DE 19900199 A1 [0004, 0005]
DE 102004061284 A1 [0004]
WO 2007/075006 A1 [0005]
WO 2006/042930 A1 [0005]
DE 102005008410 B3 [0009]

Claims

Verfahren zum Beschichten von Stahlbändern mit einer Grundwerkstoffzusammensetzung (in Gew.-%): C 0,04–1,0; Mn 9,0–30,0; Al 0,05–15,0; Si 0,05–6,0; Cr ≤ 6,5; Cu ≤ 4,0; Ti + Zr ≤ 0,7; Nb + V ≤ 0,5, Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer stahlbegleitender Elemente bei dem das Stahlband einer Glühung unterzogen und anschließend mit einem aus Zink oder zinkhaltiger Legierung gebildeten Überzug elektrolytisch beschichtet wird dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Glühens des Stahlbandes bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C in einer N2-H2-haltigen Atmosphäre durch Reaktion mit den im Stahl enthaltenen Elementen oberflächennah ein mit Nitriden angereicherter Bereich ausgebildet wird, der beim Schweißen des beschichteten Stahlbandes das Eindringen von schmelzflüssigem Zink in das Grundmaterial verhindert.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation von Glühzeit und/oder Glühtemperatur eine Nitriertiefe von größer als 1 μm und nicht größer als 50 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation von Glühzeit und/oder Glühtemperatur eine Nitriertiefe von größer als 1 μm und nicht größer als 25 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation von Glühzeit und/oder Glühtemperatur eine Nitriertiefe von größer als 5 μm und nicht größer als 15 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge der Glühbehandlung die Nitrierschicht vorrangig aus Aluminiumnitriden gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die Glühtemperatur 900–950°C beträgt.
Stahlband, das eine Grundwerkstoffzusammensetzung (in Gew.-%) mit C 0,04–1,0; Mn 9,0–30,0; Al 0,05–15,0; Si 0,05–6,0; Cr ≤ 6,5; Cu ≤ 4,0; Ti + Zr ≤ 0,7; Nb + V ≤ 0,5, Rest Eisen einschließlich üblicher stahlbegleitender Elemente und einen darauf elektrolytisch aufgetragenen metallischen Überzug aufweist dadurch gekennzeichnet, dass im oberflächennahen Bereich des Stahlbandgrundwerkstoffs eine das Eindringen in das Grundmaterial von beim Schweißen des beschichteten Stahlbandes entstehendem schmelzflüssigem Zink verhindernde Nitrierschicht ausgebildet ist.
Stahlband nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierschicht aus Aluminiumnitriden besteht.
Stahlband hergestellt durch Anwendung des gemäß einem der Ansprüche 1–6 ausgebildeten Verfahrens.