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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände aus laminiertem
Stahl, welche aus dünnen äußeren Stahlhautblechen
gebildet sind, zwischen denen ein Kernmaterial aus viskoelastischem
Polymer angeordnet ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
Beschichtungen aus einer Zink-Aluminium- oder einer Zink-Aluminium-Magnesium-Legierung
für die Stahlbleche zum Verleihen von Korrosionsbeständigkeit,
insbesondere zum Verleihen von Korrosionsbeständigkeit
in feuchten Umgebungen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zur
Verwendung in Kraftfahrzeugen sind Rohlinge aus laminiertem Stahl
ausgebildet worden. Die äußeren Stahlhautbleche
können eine Dicke von beispielsweise ungefähr
einem halben Millimeter bis zu zwei Millimetern aufweisen und verleihen
dem Laminat eine strukturelle Integrität. Die Kernschicht
aus viskoelastischem Polymer weist eine typische Dicke von ungefähr
20 bis 50 Mikrometern auf, um dem Laminat Schall dämpfende
oder andere sinnvolle Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise
werden diese Stahllaminate zu Kraftfahrzeugskarosserieteilen geformt,
welche in dem Passagierteil Geräusch erzeugende Kraftfahrzeugvibrationen
verringern. Bei anderen Anwendungen können Laminate mit
dickeren Kernen eingesetzt werden.
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Die
Stahlzusammensetzungen werden bezüglich ihrer Festigkeit
und Verformbarkeit und bezüglich Ihrer Geeignetheit zum
Verschweißen und für andere Verbindungstechniken
beim Herstellen der Kraftfahrzeugkarosserie ausgewählt.
Weil die Laminate oftmals gegenüber Wasser und feuchten
Atmosphären ausgesetzt werden, muss der Stahl vor Korrosion
geschützt werden. Die Außenflächen der
derzeit kommerziell verfügbaren, laminierten Stahlprodukte
können durch eine oder mehrere von galvanisierten Beschichtungen,
von Zinkphosphatschichten, von Elektrobeschichtungsschichten und
von zusätzlichen Polymeranstrichen vor Korrosion geschützt werden.
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Einige
der derzeit verfügbaren Versionen von laminiertem Stahl
bestehen aus elektrogalvanisierten oder feuerverzinkten dünnen
Stahlblechen (~0,5 mm), welche mit einem dünneren, Schall dämpfenden
viskoelastischen Kern laminiert sind. Das Galvanisieren führt
auf den freiliegenden Außenflächen sowie auf den
beiden Innenflächen der Stahlbleche zu einem Material aus
Zink mit ungefähr 60 g/m2 (ungefähr
8,4 Mikrometer dick). Die Herstellungsarbeitsschritte, wie beispielsweise
das Ausbilden des Laminats, Punktschweißen, Lochen, Flanschen,
Scheren und andere, können eine lokale Abschälung
einer Stahlaußenschicht von dem Polymermaterial verursachen.
Diese Abschälung führt zwischen den Laminatinnenflächen
zu einer Öffnung für den Eintritt von Feuchtigkeit.
Wasser kann durch Korrosion eine vorzeitige Perforation des Laminats
verursachen, und zwar ungeachtet der hohen Mengen von Zink, welche
auf die Innenflächen des Laminats aufgebracht sind, weil
die Zinkschicht sehr reaktiv ist und bei Aussetzung gegenüber
Feuchtigkeit schnell verbraucht werden kann, weil es keine zusätzlichen Barriereschichten
gibt, wie beispielsweise diejenigen, welche auf das Blechäußere
aufgebracht sind. Um die Kundenanforderungen an Kraftfahrzeuge zu erfüllen,
und, um eine längere Materiallebensdauer zu erreichen,
muss das Laminat eine beträchtlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit
aufweisen.
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Es
verbleibt ein Bedarf für korrosionsbeständige
Beschichtungen für Stahllaminate, welche Formungs-, Verbindungs-,
Anstrich- und anderen Kraftfahrzeugkarosserie herstellenden Arbeitsschritten Rechnung
tragen und einen Langzeitschutz gegenüber Korrosion schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im
Einklang mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden auf Oberflächen von dünnen Stahlblechen
zur Verwendung in Stahllaminatrohlingen Kombinationen von Beschichtungen aus
im Wesentlichen reinem Zink und von Beschichtungen aus einer Zink-Aluminium-
oder einer Zink-Aluminium-Magnesium-Legierung aufgebracht. In einer
Ausführungsform kann das laminierte Stahlblech zwei Stahlhautbleche
aufweisen, wobei die Oberflächen, welche sich gegenüberliegen,
durch eine Polymerkernschicht miteinander verbunden sind. Die Kombinationen
dieser Zink- und Zinklegierungsbeschichtungen werden eingesetzt,
um die Korrosionsbeständigkeit der Stahlbleche in Kontakt mit
den Polymerkernschichten zu verbessern. Die Beschichtungen werden
so platziert, dass das Formen der Blechlaminate zu Kraftfahrzeugkarosserieteilen
und dergleichen erleichtert wird, und, um deren Verwendung beim
Schweißen, Anstreichen oder anderen Kraftfahrzeugkarosserie
herstellenden Arbeitsschritten zu ermöglichen.
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Um
galvanisierte Bauteile bereitzustellen, sind auf Eisen- und Stahlgegenstände
durch Feuerverzinken (bei ungefähr 460°C) und
durch Niedertemperaturelektrolyseprozesse Beschichtungen aus im
Wesentlichen reinem Zink (99+% Zn) aufgebracht worden.
Wenn das Zink durch Feuerverzin ken aufgebracht wird, können
sich auf der galvanisierten Oberfläche manchmal unerwünschte
spröde Eisen-Zink-Verbindungen ausbilden. Daher werden manchmal
zu dem geschmolzenen Zink kleine Mengen Aluminium (beispielsweise
0,1 bis 0,2 Gewichtsprozent der Zinklegierung) zugegeben, um die
Ausbildung der spröden Verbindungen zu verhindern. Die
dünne Zinkbeschichtung (typischerweise ungefähr
8 μm dick) agiert als eine Barriere und als eine Opferanode,
um der Korrosion zu widerstehen. Bei dem Durchführen der
vorliegenden Erfindung werden manchmal Beschichtungen aus einer
Zink-Aluminium-Legierung, welche ungefähr zwei bis ungefähr zehn
Gewichtsprozent Aluminium enthält, in Kombination mit den
Beschichtungen aus im Wesentlichen reinem galvanisierten Zink eingesetzt.
Diese Zink-Aluminium-Legierungen können ebenfalls ungefähr
eins bis vier Gewichtsprozent (typischerweise ungefähr
drei Prozent) Magnesium enthalten.
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In
bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
können die Zink-Aluminium- oder Zink-Aluminium-Magnesium-Legierungen
als ko-ausgerichtete Beschichtungen auf eine oder auf beide Seiten
des Stahlblechs aufgebracht werden, bevor das Polymerkernmaterial
auf eines oder auf beide der Bleche in dem Zusammenbau des Laminats
aufgebracht wird. Sofern nicht anders erwähnt, ist es beabsichtigt,
dass eine Bezugnahme in der vorliegenden Beschreibung auf ein Beschichtung
aus Zink-Aluminium-Legierung Beschichtungen aus einer Zink-Aluminium-Magnesium-Legierung
einschließt. Über den Zink-Aluminium-Schichten
oder auf ansonsten unbeschichteten Stahlblechflächen können vor
oder nach dem Zusammenbau des Laminats Schichten aus im Wesentlichen
reinem Zink aufgebracht werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann
die Beschichtung aus im Wesentlichen reinem Zink ungefähr
1 μm bis ungefähr 20 μm dick sein. In einer
Ausführungsform kann die Beschichtung aus im Wesentlichen
reinem Zink ungefähr 4 bis ungefähr 15 μm
dick sein. Sofern nicht anders erwähnt, bezieht sich eine
Bezugnahme in der vorliegenden Beschreibung auf im Wesentlichen
reines Zink auf wenigstens 99 Gew.-% Zink bis zu und einschließlich
vollständig reinem (100 Gew.-%) Zink.
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In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden
auf die beiden Oberflächen von jedem der Stahlbleche Beschichtungen
aus einer Zink-Aluminium-Legierung aufgebracht und werden über
die Beschichtungen aus Zink-Aluminium Beschichtungen aus im Wesentlichen
reinem Zink aufgebracht. Das zusammengebaute Laminat weist folglich
auf den beiden Stahlblechaußenflächen und auf
den beiden Stahlblechinnenflächen des Laminats, welche
dem Polymerkernmaterial benachbart sind, zwei verschiedene Beschichtungsschichten auf.
In diesem Beispiel schaffen die Beschichtungen aus Zink-Aluminium
den meisten Korrosionsschutz und diese sind ungefähr 4
bis 12 μm dick, wohingegen die äußeren
Beschichtungen aus im Wesentlichen reinem Zink dünner sein
werden: ungefähr 1 μm dick. Die Außenschicht
aus im Wesentlichen reinem Zink, welche auf dem Äußeren
des Laminats angeordnet ist, wird eine verbesserte Anstreichbarkeit
liefern.
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In
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
werden auf die beiden Oberflächen von jedem der Stahlbleche
Beschichtungen aus einer Zink-Aluminium-Legierung aufgetragen, aber es
werden über die Beschichtungen aus Zink-Aluminium lediglich
auf den Stahlblechaußenflächen des Laminats Beschichtungen
aus im Wesentlichen reinem Zink aufgebracht. Wiederum liefern die
Beschichtungen aus Zink-Aluminium den größten
Teil der Korrosionsbeständigkeit und werden ungefähr
4 bis 12 μm dick sein, wohingegen das im Wesentlichen reine
Zink auf dem Äußeren des Laminats eine verbesserte
Anstreichbarkeit liefern wird und dünner sein wird: ungefähr
1 μm dick.
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In
einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist auf jede der beabsichtigten Stahlblechinnenflächen
eine Beschichtung aus einer Zink-Aluminium-Legierung aufgebracht
und ist auf die Außenflächen des Stahllaminats
eine relativ schwere Beschichtung aus im Wesentlichen reinem Zink
aufgebracht. Die Beschichtung aus Zink-Aluminium auf den Innenflächen
liefert einen Schutz für diese Oberfläche und
wird ungefähr 4 bis 12 μm dick sein, wohingegen
die relativ schwere, im Wesentlichen reine Zinkbeschichtung auf
dem Äußeren des Laminats sowohl eine Korrosionsbeständigkeit
als auch eine verbesserte Anstreichbarkeit liefern wird und ungefähr
4 bis 12 μm dick sein wird.
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Und
in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird auf jede der beabsichtigten Stahlblechinnenflächen
und auf jede der beabsichtigten Stahlblechaußenflächen
des Stahllaminats eine korrosionsbeständige Beschichtung
aus einer Zink-Aluminium-Legierung mit einer Dicke von beispielsweise
ungefähr 8 μm aufgebracht. Bei dieser Ausführungsform
wird keine Beschichtung aus im Wesentlichen reinem Zink eingesetzt.
Wie in jedem der zuvor genannten Beispiele kann die Zink-Aluminium-Legierung
pro Gewicht, ungefähr zwei bis sechs Prozent (sogar bis
zu zehn Prozent) Aluminium, optional ungefähr ein bis vier
Prozent Magnesium und Rest im Wesentlichen vollständig
Zink aufweisen.
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Eine
bevorzugte Verwendung der Beschichtungsschichten aus im Wesentlichen
reinem Zink und/oder einer Zink-Aluminium-Legierung kann für die
Stahlblechoberflächen eines Laminats spezifisch für
die vorgesehene Korrosionsumgebung eines Laminatbauteils und die
verschiedenen Herstellungsarbeitsschritte, durch welche das Bauteil
geformt, geschweißt, angestrichen oder dergleichen wird,
(beispielsweise Stahlblechseitenstellen und -dicken) ausgewählt
werden. Eine Außenschicht aus im Wesentlichen reinem Zink
kann bevorzugt sein, um beispielsweise das Laminat für
das Anstreichen zu optimieren. Aber die Zink-Aluminium-Legierung
wird für eine verbesserte Beständigkeit gegenüber
Korrosion, insbesondere gegenüber feuchtigkeitsgeförderte Korrosion,
genutzt.
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Über
den Beschichtungen aus einer Zink-Aluminium-Legierung und über
den Beschichtungen aus im Wesentlichen reinem Zink, welche auf den
Stahlblechoberflächen aufgebracht sind, können weitere
Beschichtungen vorgesehen werden. Beispielsweise können
auf die vorbeschichteten Stahlblechoberflächen, insbesondere
auf die Blechaußenoberflächen, Zinkphosphatschichten,
Elektrobeschichtungsschichten und Polymeranstrichbeschichtungen
aufgebracht werden.
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Andere
Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, welche in
dem nachfolgenden Text folgt, und den Zeichnungen, welche nachfolgend
beschrieben werden, verstanden werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 ist
eine Strichansicht eines Frontarmaturenbrett-Kraftfahrzeugteils
aus laminiertem Stahl. Dieses ist eine Illustration eines Kraftfahrzeugbauteils,
welches aus einem laminierten Stahlblechmaterial ausgebildet sein
kann. Obwohl in der 1 nicht sichtbar, umfasst das
laminierte Stahlblech zwei Stahlhautbleche mit gegenüberliegenden Flächen,
welche durch eine viskoelastische Polymer-Kernschicht miteinander
verbunden sind. Die Kernschicht enthält elektrisch leitfähige
Partikel. Die nachfolgenden Zeichnungsfiguren von Rändern
des Bauteils illustrieren Strategien für korrosionsbeständige
Beschichtungen für die Innen- und Außenflächen
der Stahlbleche.
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Die 2 ist
eine schematische, vergrößerte Ansicht eines Teils
eines Rands (an der Stelle 2 in der 1) des laminierten
Stahlbauteils der 1, welche einen Korrosionsschutz
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt. In der 2 sind sowohl
die Innen- als auch die Außenflächen der Stahlbleche
mit einer Schicht aus einer Zink-Aluminium-Legierung und mit einer
dünnen darüber liegenden Schicht aus im Wesentlichen
reinem Zink beschichtet.
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Die 3 ist
eine schematische, vergrößerte Ansicht eines Teils
eines Rands (an der Stelle 2 der 1) des laminierten
Stahlbauteils der 1, welche einen Korrosionsschutz
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt. In der 3 sind sowohl
die Innen- als auch die Außenflächen der Stahlbleche
mit einer Schicht aus einer Zink-Aluminium-Legierung beschichtet.
Die Außenflächen der Stahlbleche weisen eine dünne
darüber liegende Schicht aus im Wesentlichen reinem Zink
auf.
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Die 4 ist
eine schematische, vergrößerte Ansicht eines Teils
eines Rands (an der Stelle 2 der 1) des laminierten
Stahlbauteils der 1, welche einen Korrosionsschutz
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt. In der 4 sind die
Innenflächen der Stahlbleche mit einer Schicht aus einer
Zink-Aluminium-Legierung beschichtet und sind die Außenflächen
der Bleche mit einer relativen dicken Schicht aus im Wesentlichen
reinem Zink beschichtet.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Verschiedene
Ausführungsformen umfassen ein neues laminiertes Stahlprodukt,
wie beispielsweise ein Karosserieteil, welches eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit
aufweist, während dieses Schall dämpfende Eigenschaften,
eine gute Blechformbarkeit, eine gute Punktschweißbarkeit
und gute Anstreicheigenschaften beibehält. Die Korrosionsbeständigkeit
von mit Polymerkern laminiertem Stahl wird durch die Anordnung der
Schutzschichten, welche auf das Stahlhautblechmaterial aufgebracht
sind, erreicht.
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Verschiedene
Ausführungsformen verwenden bestimmte Zink-Aluminium-Legierungen
und Zink-Aluminium-Magnesium-Legierungen, welche so ausgestaltet
sind, dass diese eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit
gegenüber Stahllaminaten verleihen, während diese
die geeigneten Eigenschaften der Laminate beibehalten, welche es
erlauben, dass Laminatblechrohlinge zu Kraftfahrzeugkarosserieteilen
mit komplexer Form geformt werden, welche es erlauben, dass andere
Metallkarosserieteile an die geformten Teile geschweißt
oder damit verbunden werden, und welche es ermöglichen,
dass solche Aufbauten angestrichen werden können, einschließlich
der Verwendung von kathodischen Elektroabscheide-Primersystemen
gemäß dem Industriestandard. Für diese
Kombination von Anforderungen sind Zink-Aluminium-Legierungen, welche
hauptsächlich, pro Gewicht, ungefähr 2 bis ungefähr
10% Aluminium, optional bis zu ungefähr 4% Magnesium und dem
Rest im Wesentlichen Zink (ausgenommen unvermeidbare Verunreinigungen)
enthalten, geeignet.
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Der
Korrosionsmechanismus von Beschichtungen aus einer Zn-Al-Legierung
ist untersucht worden und wird klar verstanden. Auf der Beschichtungsfläche
bildet sich zuerst ein temporärer passiver Aluminiumoxidschutzfilm
aus, dann diffundiert Zink aus der Beschichtung durch die Aluminiumoxidschicht, um
eine Korrosionsproduktschicht auszubilden, welche als eine andere
Korrosionsbarriere auf dem Aluminiumoxid agieren kann. Die Diffusion
von Zink durch die Aluminiumoxidschicht ist relativ langsam. Folglich
korrodiert die Beschichtung aus der Zn-Al-Legierung relativ langsam.
Es ist bekannt, dass Zugaben von Magnesium von bis zu 4% zu diesen
Beschichtungen die Korrosionsprodukte weiter verfeinern, was den
Korrosionsschutz erhöhen kann.
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Wie
vorstehend vorgeschlagen, hilft die Mikrostruktur von Beschichtungen
aus einer Zn-Al-Legierung auch bezüglich der Korrosionsleistung.
Es gibt in den Zn-Al-Beschichtungen bestimmte Mengen von beta-Phase
(aluminiumreich), welche korrosionsbeständiger sind als
die eta-Matrixphase (zinkreich). Die beta-Phasen agieren auch als
Korrosionsbarrieren, nachdem in die Beschichtung Korrosion eingedrungen
ist. Beschichtungen aus einer Zink-Aluminium-Magnesium-Legierung
weisen eine andere Mikrostruktur auf, einschließlich einer
Al-reichen primären Phase und einer Matrix aus Al-reicher Phase/Zn-reicher
Phase/Zn2Mg-intermetallischer ternärer
eutektischer Struktur. Es wird erwartet, dass die intergranulären
Bereiche Korrosionspfade sein können. Mg in den Pfaden
kann zuerst korrodiert werden und dessen Korrosionsprodukte blockieren
das Eindringen von Korrosion entlang der Pfade. Dementsprechend
wird es erwartet, dass die Korrosionsbeständigkeit mit
zunehmenden Aluminiummengen in einem Bereich von 2% < Al Gew.-% < 10% zunehmen wird.
Die beta-Phase wird schrittweise mit einer Aluminiummenge von ~0,3
Gew.-% bis zu ~10 Gew.-% zunehmen. Dementsprechend sollte der Barriereeffekt
dieser Phase besser werden. Innerhalb dieses Bereiches sollte es
keine Veränderungen in der Beschichtungsmikrostruktur geben,
welche gegenüber der Korrosionsleistung nachteilig ist,
wenn Zugaben von Aluminium verwendet werden. Für größere
Mengen von Aluminium über die eutektische Al-Zn-Zusammensetzung
von 6 Gew.-% bis zu 10 Gew.-% hinaus ist ebenfalls eine exzellente
Korrosionsbeständigkeit beobachtet worden. Allerdings tritt mit
Zn-Al-Mg-Beschichtungen bei ungefähr 10 Gew.-% Aluminium
eine schlechte Haftung der Beschichtung an Stahl auf.
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Folglich
nutzen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine
Zn-Al-Schicht auf wenigstens den Innenhautflächen des Blechs.
Die auf Zink basierende Schicht enthält ungefähr
2 Gew.-% Aluminium bis zu und einschließlich ungefähr
10 Gew.-% Aluminium. Magnesiumzugaben von bis zu ungefähr 4
Gew.-% können ebenfalls zu der Zink-Aluminium-Beschichtung
zugegeben werden, um die Korrosionsbeständigkeit weiter
zu verbessern.
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Die 1 illustriert
ein Frontarmaturenbrettteil aus laminiertem Stahl 10 für
ein Personenkraftfahrzeug. Wie dargestellt, ist das Bauteil ein
einzeln geformtes und geschnittenes Bauteil aus einem Stahllaminat.
Wie gesehen werden kann, ist dieses ein Bauteil mit komplexer Form,
welches unter der Vorderwindschutzscheibe des Passagierteils des Kraftfahrzeugs
und vor den Vordertüren liegt. Das Bauteil 10 ist
beträchtlichen Formschritten zu diesem Karosseriebauteil
unterworfen worden. Das Bauteil 10 umfasst ein tunnelförmiges
Teilstück 12, welches den Kraftfahrzeugantriebsbauteilkomponenten
oder den Bauteilen des Abgassystems gegenüber liegt, sowie
für den Beinbereich für den Fahrer und die Passagiere
geformte Teilstücke 14, 16. Es ist ebenfalls
ein Teilstück 18 des Bauteils für die
Lenksäule, nicht dargestellt, ausgeschnitten worden. Andere Teilstücke
des Bauteils sind zur Durchführung der Drähte
und dergleichen entfernt worden.
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Die
Stahlbleche, welche die Oberflächen des Laminats ausbilden,
sind gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, bevor das Laminat hergestellt worden ist, mit Schichten
aus im Wesentlichen reinem Zink und aus Zink-Aluminium-Magnesium
beschichtet worden. Nach dem Formen eines Laminatrohlings zu einem
Bauteil 10 können andere Karosserieteile mit dem
Armaturenbrettteil verschweißt oder anderweitig verbunden
werden. Und bei dem Herstellen einer vollständigen Kraftfahrzeugkarosseriestruktur
können Oberflächen dieses Bauteils oder Oberflächen
von anderen Stahllaminatbauteilen angestrichen werden oder diese
können mit anderen Beschichtungen versehen werden.
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Die
Dicken der Schall dämpfenden Laminate, die in solchen Kraftfahrzeugkarosserieanwendungen
eingesetzt werden, liegen typischerweise in einem Bereich zwischen
ungefähr 0,8 mm und 1,4 mm. In solchen Stahllaminaten kann
jedes Stahlhautblech ungefähr 0,40 mm bis 0,70 mm dick
sein und der viskoelastische Polymerkern kann ungefähr
0,025 mm bis ungefähr 0,050 mm dick sein.
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In
Stahllaminatkraftfahrzeugkarosserieanwendungen werden oftmals Hautblechzusammensetzungen
aus Niedrigkohlenstoffstahl eingesetzt. Typische Stahlgrade, welche
eingesetzt werden, schließen beispielsweise Niedrigkohlenstoffstähle SAE
J2329 CR4 und SAE J2329 CR5 ein. Es können Stähle
mit einer höheren Festigkeit eingesetzt werden, wenn deren
Festigkeitseigenschaften benötigt werden. Eine nominelle
CR4-Niedrigkohlenstoffstahlzusammensetzung (Gew.-%) enthält
bis zu ungefähr 0,08% C, bis zu ungefähr 0,40%
Mn, weniger als 0,025% P, weniger als 0,020% S, ungefähr
0,015% Al und der Rest im Wesentlichen Eisen ausgenommen unbeabsichtigte
Verunreinigungen. Manchmal werden 0,01% bis 0,03% Ti und/oder Nb
zugegeben. Die Zugfestigkeiten der CR4-Stähle liegen typischerweise
in einem Bereich von 270 bis 330 MPa mit Streckgrenzen in einem
Bereich zwischen 140 und 180 MPa und mit Zugdehnungen von größer
als ungefähr 40%. Eine nominelle CR5-Niedrigkohlenstoffstahlzusammensetzung
(Gew.-%) enthält bis zu ungefähr 0,02% C, < 0,25% Mn, < 0,020% P, < 0,020% S, > 0,015% Al und Eisen.
Manchmal werden 0,01% bis 0,03% Ti und/oder Nb zugegeben. Die Zugfestigkeiten
von CR5-Stählen sind typischerweise größer
als 260 MPa, die Streckfestigkeiten betragen ungefähr 110
bis 180 MPa und die Zugdehnungen betragen > 42%.
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Die
Polymerkernschichten in den Stahllaminaten für Kraftfahrzeugbauteile
sind oftmals sehr dünn, und zwar betragen diese in der
Schichtdicke typischerweise ungefähr 0,025 mm bis 0,050
mm. Die Kernschicht(en) in einem Laminat ist/sind üblicherweise
mit den benachbarten Oberflächen des diese umgebenden Stahl
ko-ausgerichtet. Ein typisches Laminat umfasst zwei Stahlbleche
von ähnlicher Form und Bereiche mit einer einzigen ko-ausgerichteten
Polymerkernschicht. Allerdings umfassen einige Laminate drei oder
mehr Stahlbleche mit zwischen jedem Blech liegenden Polymerkernen.
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Die
Kernschichten können mit elektrisch leitfähigen
Partikeln gefüllt sein, um zwischen den Stahlblechen durch
lokales Überbrücken des nicht leitfähigen
Polymermaterials eine elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen.
Solch eine Leitfähigkeit kann beispielsweise bei dem elektrischen
Widerstandsschweißen, bei dem Elektrogalvanisieren oder
bei dem elektrolytischen Aufbringen von Anstrich- oder anderen Beschichtungsschichten
genutzt werden. Die leitfähigen Partikel sind typischerweise
so bezüglich ihrer Größe bemessen, dass
sie zu der Dicke des Polymerkerns passen, und zwar ungefähr
25 bis 50 μm in Kraftfahrzeugkarosserielaminaten. Die meisten Laminate
nutzen reine Ni-Partikel, Partikel aus rostfreiem Stahl oder Partikel
aus Fe-Phosphid. In anderen Laminatausführungsformen können
Fe-Partikel, Al-Partikel und/oder Cu-Partikel eingesetzt werden. Typischerweise
machen die leitfähigen Partikel bis zu ungefähr
ein bis zwei Volumenprozent des Polymerkernmaterials aus.
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Für
Stahllaminate für Kraftfahrzeuganwendungen ist eine Vielzahl
von Polymerkernzusammensetzungen entwickelt worden. Es sind verschiedene Familien
von viskoelastischen Kernmaterialien bekannt und diese werden kommerziell
eingesetzt. Einige der Kernmaterialien basieren auf Elastomerzusammensetzungen,
wie beispielsweise Styrolbutadienkautschuk (SBR) und Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol-Terpolymer
(SEES). Einige basieren auf Acrylcopolymeren, wie beispielsweise
auf Acrylsäureestercopolymer, Styrolacrylcopolymer oder
dessen Polymermischungen mit Styrolbutadien. Einige der Kernmaterialien
basieren auf Polyvinylacetat (VA) oder dessen Copolymeren, wie beispielsweise
Ethylenvinylacetat-copolymer oder Ethylen-Vinylacetat-Maleinsäureanhydrid-Terpolymer.
Und einige der Kernmaterialien basieren auf Epoxid basierendem Blockcopolymer,
wie beispielsweise auf Epoxid-Polyester-Blockcopolymer oder auf
Epoxid-Polyester-Blockcopolymer.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beziehen sich allgemein auf Stahllaminate,
in denen eine oder mehrere Kombinationen von Zinkbeschichtungen,
Beschichtungen aus Zink-Aluminium-Legierung und/oder Beschichtungen
aus Zink-Aluminium-Magnesium-Legierung auf Innenflächen
(d. h. dem Polymerkern benachbart) und auf Außenflächen
(d. h. dem Polymerkern gegenüberliegend) der Stahlbleche
aufgebracht sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann
eine im Wesentlichen reine Zinkschicht oder -beschichtung durch
Feuerverzinken, Elektrogalvanisieren oder dergleichen aufgebracht
werden. Nachfolgend werden einige illustrative Ausführungsformen
der Praxis der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In
einer ersten Ausführungsform wird ein Laminat mit Stahlhautblechen
hergestellt, welches sowohl Außenflächen als auch
Innenflächen aus im Wesentlichen reinem Zink und einer
Schicht aus einer Zn-Al-Legierung darunter aufweist. Das fertige
laminierte Produkt weist eine viskoelastische Schicht auf, welche
zwischen den Hautblechen angeordnete leitfähige Partikel
enthält. Dieses Laminat ist insbesondere für Kraftfahrzeugkarosserieanwendungen geeignet.
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Die
resultierende Struktur ist in der 2 in einem
Randteilstück (an der Stelle 2) des Bauteils 10 der 1 gezeigt.
In dieser Ausführungsform umfasst das Stahllaminat des
Bauteils 10 ein erstes Stahlblech 200 und ein
zweites Stahlblech 202, wobei dazwischen eine Kernschicht 204 aus
viskoelastischem Polymer angeordnet ist, welche mit den benachbarten
Flächen der Stahlbleche 200, 202 im Wesentlichen
ko-ausgerichtet ist. Die 2 ist für Zwecke der
Illustration vergrößert und ist nicht maßstabsgetreu
gezeichnet. In einer Ausführungsform kann jedes Stahlblech 200, 202 ungefähr
0,5 mm dick sein und die Polymerkernschicht 204 kann ungefähr
0,04 mm dick sein und mit identischen benachbarten Flächen
der Bleche 200, 202 ko-ausgerichtet sein. In verschiedenen
Ausführungsformen können die Stahlbleche 200, 202 die
gleiche Dicke oder eine verschiedene Dicke aufweisen. Es ist zu
sehen, dass jedes Stahlblech 200, 202 eine oberflächenbenachbarte
Polymerkernschicht 204 (als Innenfläche bezeichnet)
und eine der Kernschicht gegenüberliegende Fläche
(als Außenfläche bezeichnet) aufweist.
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Der
Polymerkern 204 enthält leitfähige Partikel 206,
welche in einer Menge dispergiert sind, dass eine ausreichende elektrische
Leitfähigkeit durch das üblicherweise nicht leitfähige
Kernmaterial und zwischen den Innenflächen der Bleche 200, 202 erreicht wird.
Typische leitfähige Partikel schließen Kupfer, Eisen,
Eisenphosphide, rostfreien Stahl, Aluminium und vorzugsweise Nickel
ein. Diese werden vorzugsweise so bezüglich ihrer Größe
bemessen werden, dass diese die Spalte (hier ungefähr 0,04
mm, ungefähr 40 μm) zwischen den Blechen 200, 202 (viele Partikel berühren
jedes benachbarte Blech), welche während dem Laminierungsverfahren
durch den viskoelastischen Kern ausgebildet wird, überspannen.
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Bei
dieser Ausführungsform sind sowohl die Innen- als auch
die Außenflächen der beiden Stahlbleche 200, 202 mit
einer Schicht 208 aus einer Zink-Aluminium-Legierung beschichtet.
In diesem Beispiel enthält die Zink-Aluminium-Legierung
ungefähr 4 Gew.-% Aluminium und 96 Gew.-% Zink. Die Schicht 208 kann
ungefähr 0,004 mm bis ungefähr 0,012 mm dick sein.
Folglich umfasst das Laminat 10 vier Schichten 208 aus
einer Zink-Aluminium-Legierung. In verschiedenen Ausführungsformen
kann jede Schicht 208 dieselbe Dicke oder eine verschiedene
Dicke aufweisen. Jede Aluminium-Zink-Schicht 208 ist mit
einer dünnen galvanisierten Schicht 210 aus im
Wesentlichen reinem Zink, welche ungefähr 1 μm
dick sein kann, beschichtet. In verschiedenen Ausführungsformen
weist jede Schicht 210 dieselbe Dicke oder eine verschiedene
Dicke auf. Die galvanisierten Schichten 210 aus im Wesentlichen
reinem Zink auf den Innenseiten der Stahlbleche 200, 202 kontaktieren
die Polymerkernschicht 204 (und leitfähigen Partikel 206)
und die galvanisierten Zink-Schichten 210 auf den Stahlblechaußenflächen des
Bauteillaminats 10 sind gegenüber der Bauteilumgebung
freigelegt.
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In
dieser Ausführungsform können Außenschichten
aus im Wesentlichen reinem Zink eingesetzt werden, um eine gute
Anstrichleistung zu liefern, einschließlich der Verwendung
von Hochspannungselektroabscheideverfahren, welche ähnlich
zu der von mit Zink beschichteten Stahlblech ist, und, um zum Formen
eine gute Schmierfähigkeit zu liefern. Ferner schafft die
Schicht aus einer Zn-Al-Legierung unterhalb jeder im Wesentlichen
reinen Zinkschicht auf den Innenflächen einen verbesserten Korrosionsschutz
im Vergleich zu einer einzigen galvanisierten Beschichtung aus im Wesentlichen
reinem Zink. Das Platzieren einer Zinkschicht auf der Innenfläche
kann einige weitere Probleme im Hinblick sowohl auf das Widerstandspunktschweißen
als auch auf das Bolzenschweißen verursachen; durch die
Verwendung einer sehr dünnen Zinkschicht sollte allerdings
das Punktschweißen besser sein als das, welches durch eine übliche,
schwerere galvanisierte Beschichtung erhalten wird, während
eine gute Korrosionsbeständigkeit beibehalten wird. Die
Anwesenheit der dickeren Beschichtung aus im Wesentlichen reinem
Zink während des Punktschweißens verringert die
Schweißbarkeit und fördert die lokale Abschälung
um die Schweißpunkte herum. Die Punktschweißfähigkeit
wird insbesondere verbessert, wenn leichtgewichtigere Beschichtungen
aus einer Zn-Al-Legierung eingesetzt werden können, um
die gewünschte Korrosionsbeständigkeit zu erreichen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen der Laminatstruktur gemäß dieser
Ausführungsformen umfasst das Starten mit einem feuerverzinkten,
mit Zn-Al beschichteten Hautblechmaterial, das Elektrogalvanisieren
des beschichteten Blechs mit Zink und dann das Laminieren des resultierenden
Materials unter Verwendung eines viskoelastischen Kerns, welcher
leitfähige Partikel enthält.
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In
einer zweiten Ausführungsform wird ein Laminat hergestellt,
welches Stahlhautbleche mit Zn-Al-Legierungsschichten auf beiden
Innen- und Außenflächen aufweist. Lediglich auf
den Laminataußenflächen wird eine im Wesentlichen
reine Zinkschicht lokalisiert. Das Laminat enthält einen
viskoelastischen Kern mit leitfähigen Partikeln.
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Die
resultierende Struktur ist in der 3 dargestellt,
und zwar in der Perspektive des Anschauens eines Randteilstücks
(an der Stelle 2) des Bauteils 10 der 1.
In dieser Ausführungsform umfasst das Bauteil 10 aus
Stahllaminat ein erstes Stahlblech 300 und ein zweites
Stahlblech 302, wobei dazwischen eine Kernschicht 304 aus
viskoelastischem Polymer angeordnet ist, welche im Allgemeinen ko-ausgerichtet
zu den gegenüberliegenden Flächen der Stahlbleche 300, 302 ist.
Wiederum ist es zu sehen, dass jedes Stahlblech 300, 302 eine
Oberfläche aufweist (als Innenfläche bezeichnet),
welche der Polymerkernschicht benachbart ist, sowie eine der Kernschicht
gegenüberliegende Oberfläche (als Außenfläche
bezeichnet) aufweist. Und wiederum enthält der Polymerkern 304 dispergierte
leitfähige Partikel 306, um eine ausreichende
elektrische Leitfähigkeit durch das üblicherweise
nicht leitfähige Kernmaterial und zwischen den Innenflächen
der Bleche zu liefern.
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Die
Stahlbleche 300, 302 sind ungefähr 0,5 mm
dick und die Polymerkernschicht 204 ist ungefähr 0,04
mm dick. In verschiedenen Ausführungsformen kann jedes
Stahlblech 300, 302 dieselbe Dicke oder eine verschiedene
Dicke aufweisen.
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In
dieser Ausführungsform sind sowohl die Innenflächen
als auch die Außenflächen der beiden Stahlbleche 300, 302 mit
einer Schicht 308 aus einer Zink-Aluminium-(95:5)Legierung
beschichtet. Folglich umfasst das Laminat 10 vier Schichten 308 aus einer
Zink-Aluminium-Legierung, welche jeweils ungefähr 0,004
mm bis ungefähr 0,012 mm dick sind. In verschiedenen Ausführungsformen
kann jede Schicht 308 dieselbe Dicke oder eine andere Dicke aufweisen.
Allerdings sind in dieser Ausführungsform lediglich die äußeren
Schichten 308 aus einer Zink-Aluminium-Legierung mit einem
dünnen galvanisierten Zinkschicht 310, welche
ungefähr 1 μm dick ist, beschichtet. In verschiedenen
Ausführungsformen kann jede Schicht 310 dieselbe
Dicke oder eine andere Dicke aufweisen. Folglich sind auf den Stahlblechaußenseiten
des Bauteillaminats 10 galvanisierte Zinkschichten 310 gegenüber
der Bauteilumgebung freigelegt.
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Schichten
aus einer Zink-Aluminium-Legierung 3108 auf den Stahlblechinnenflächen
befinden sich in Kontakt mit der Polymerkernschicht 304 und mit
den leitfähigen Partikeln 306.
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In
dieser zweiten Ausführungsform weist das Laminat die mögliche
Anstrichleistung von galvanisiertem Stahlblech auf. Die äußere
Zinkschicht wird ebenfalls die Schmierfähigkeit für
das Formen verbessern. Ferner sollte die Schicht aus Zn-Al-Legierung
auf den Innenflächen im Vergleich zu einem ähnlichen
Beschichtungsgewicht aus im Wesentlichen reinem Zink einen verbesserten
Korrosionsschutz liefern. Schließlich sollte das Ersetzen
von im Wesentlichen reinem Zink an der Innenfläche durch eine
Zn-Al-Legierung sowohl bei der Widerstandspunktschweißleistung
als auch bei der Bolzenschweißleistung helfen, und zwar
insbesondere, wenn geringere Beschichtungsgewichte eingesetzt werden
können, um die gewünschte Korrosionsleistung zu
erreichen.
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Ein
geeignetes Verfahren zum Herstellen der Beschichtungsschichtkombination
dieses Laminats gemäß der zweiten Ausführungsform
kann es sein, feuerverzinkte beschichte Zn-Al-Hautblechmaterialien
einzusetzen, um ein Laminat auszubilden. Daran anschließend
kann das gesamte Laminat elektrogalvanisiert werden, um auf der
Außenfläche eine im Wesentlichen reine Zinkschicht
zu liefern.
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In
einer dritten Ausführungsform wird ein Stahllaminat mit
Stahlhautblechen mit vollständig verschiedenen Beschichtungen
auf den Innen- und Außenflächen ausgebildet. Das
Laminat weist eine Beschichtung aus im Wesentlichen reinem Zink
auf, welche auf die Außenfläche aufgebracht ist,
sowie eine Beschichtung aus einer Zn-Al-Legierung, welche auf die
Innenfläche aufgebracht ist. Das Laminat wird ebenfalls
unter Verwendung eines viskoelastischen Kerns, welcher leitfähige
Partikel enthält, hergestellt. Das resultierende Laminat
ist in der 4 in Draufsicht auf ein Randteilstück
(an der Stelle 2) des Bauteils der 1 dargestellt.
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In
dieser Ausführungsform umfasst das Bauteil 10 aus
Stahllaminat ein erstes Stahlblech 400 und ein zweites
Stahlblech 402 (von denen jedes ungefähr 0,5 mm
dick ist), wobei zwischen diesen eine Kernschicht 404 aus
viskoelastischem Polymer angeordnet ist, welche im Allgemeinen ko-ausgerichtet zu
den anliegenden Flächen der Stahlbleche 400, 402 ist
und ungefähr 0,04 mm dick ist. In verschiedenen Ausführungsformen
kann jedes Stahlblech 400, 402 dieselbe Dicke
oder eine andere Dicke aufweisen. Es wird wiederum gesehen, dass
jedes Stahlblech 400, 402 eine der Polymerkernschicht
benachbarte Oberfläche (welche als Innenschicht bezeichnet
wird) und eine der Kernschicht gegenüberliegende Oberfläche
(welche als Außenfläche bezeichnet wird) aufweist.
Und wiederum umfasst der Polymerkern 404 ungefähr
ein bis ungefähr zwei Volumenprozent dispergierte leitfähige
Partikel 406, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
durch das üblicherweise nicht leitfähige Kernmaterial
und zwischen den Innenflächen der Bleche bereitzustellen.
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In
dieser Ausführungsform werden lediglich die Innenflächen
der beiden Stahlbleche 400, 402 mit einer Schicht 408 aus
einer Zink-Aluminium-Legierung (beispielsweise 95:5) beschichtet,
welche ungefähr 0,004 mm bis ungefähr 0,012 mm
dick sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann
jede Schicht 408 dieselbe Dicke oder eine andere Dicke aufweisen.
Folglich umfasst in dieser Ausführungsform das Laminat 10 auf
den Innenflächen der Bleche 400, 402 und
in Kontakt mit der Polymerkernschicht 404 und den leitfähigen
Partikeln 406 befindlich lediglich zwei Schichten 408 aus
einer Zink-Aluminium-Legierung. Die Außenflächen
der Stahlbleche 400, 402 sind mit relativ dicken
galvanisierten Zink-Schichten 406 mit einer Dicke von ungefähr 0,004
bis ungefähr 0,015 mm (ungefähr 4 bis 15 μm) beschichtet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann jede Schicht 410 dieselbe
Dicke oder eine andere Dicke aufweisen. Folglich liegen die galvanisierten
Zink-Schichten 410 auf den Stahlblechaußenflächen
des Bauteillaminats 10 gegenüber der Bauteilumgebung
frei.
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Bei
dieser dritten Ausführungsform wird die Außenschicht
aus im Wesentlichen reinem Zink die gewünschte Anstrichleistung
des galvanisierten Stahlblechs sowie eine gute Schmierfähigkeit
und einen guten Widerstand gegenüber Oberflächenrissen zum
Verbessern der Formbarkeit liefern. Die Schicht aus der Zn-Al-Legierung
auf den Innenflächen liefert einen verbesserten Korrosionsschutz
im Vergleich zu einem ähnlichen Beschichtungsgewicht aus
im Wesentlichen reinem Zink. Schließlich soll sich die
Eliminierung von reinem Zink an der Innenfläche positiv sowohl
auf das Widerstandspunktschweißen als auch auf das Bolzenschweißen
mit Hub durch Verringern der Zinkverdampfung auswirken, und zwar
insbesondere, wenn geringere Beschichtungsgewichte eingesetzt werden
können, um die gewünschte Korrosionsleistung zu
erreichen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen dieser dritten Ausführungsform
des Stahllaminats wird es sein, eine einzelne Seite des Hautblechmaterials
mit einer Zn-Al-Legierung zu elektrobeschichten. Diese Hautbleche
werden miteinander laminiert werden, wobei die bloßen Stahlflächen
freiliegen. Auf die Außenflächen des Laminats
wird durch Elektrogalvanisieren eine im Wesentlichen reine Zinkschicht
aufgebracht werden.
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Und
in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird auf jede der beabsichtigten Stahlblechinnenflächen
und der beabsichtigten Stahlblechaußenflächen
des Stahllaminats eine korrosionsbeständige Beschichtung
aus einer Zink-Aluminium-Legierung mit einer Dicke von ungefähr
4 μm bis ungefähr 12 μm aufgebracht.
In dieser Ausführungsform wird keine Beschichtung aus im
Wesentlichen reinem Zink eingesetzt. Wie in jedem der vorgenannten
Beispiele umfasst die Zink-Aluminium-Legierung, pro Gewicht, ungefähr
2 bis 6% (sogar bis zu 10%) Aluminium, optional 1 bis 4% Magnesium
und Rest im Wesentlichen vollständig Zink.
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Ein
Stahllaminat gemäß dieser vierten Ausführungsform
würde einen Querschnitt ähnlich zu dem Laminat
der 2 ohne die Schichten 210 aus im Wesentlichen
reinem Zink oder ähnlich zu dem Laminat der 3 ohne
die Schichten 310 aus im Wesentlichen reinem Zink aufweisen.
Ein Stahllaminat mit zwei Innen- und mit zwei Außenschichten
aus einer Zink-Aluminium-Legierung wird beispielsweise eine gute
Korrosionsbeständigkeit bei Anwendungen liefern, in denen
Formarbeitsschritte, Verbindungsarbeitsschritte, Anstricharbeitsschritte
und dergleichen nicht durch den Aluminiumgehalt von allen der vier Schichten
aus der Zink-Aluminium-Legierung behindert wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist durch einige spezifische Ausführungsformen
beschrieben worden, aber der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Laminate
aus äußeren Stahlblechen und einem viskoelastischen
Kern sind bei Feuchtigkeit enthaltenden Umgebungen oftmals gegenüber
Korrosion empfindlich. auf die Innenflächen oder auf sowohl die
Innen- als auch die Außenblechflächen der Stahlbleche
können vorteilhaft auf Zink basierte Legierungen von Aluminium
oder aus Aluminium und Magnesium aufgebracht werden. Über
die auf Zink basierenden Legierungen oder über eine anderweitig
freiliegende Stahlblechaußenfläche können
Beschichtungen aus im Wesentlichen reinem Zink aufgebracht sein.
Kombinationen solcher Beschichtungen aus Legierungen auf Basis von
Zink und Beschichtungen aus im Wesentlichen reinem Zink verbessern
die Korrosionsbeständigkeit der Stahlblech-Polymerkern-Laminate,
während die Schweißbarkeit und die Anstreichbarkeit
maximiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - SAE J2329
CR4 [0028]
- - SAE J2329 CR5 [0028]